ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ(КВАНТОВЫЕ)

СИСТЕМЫИ УСТРОЙСТВА

СОДЕРЖАНИЕ

1.	Задачи,решаемые спомощью ОЭС	2
2.	Краткийисторическийочерк	4
3.	Сравнениеприборов (систем)оптическогодиапазона срадиоэлектроннымиустройствами	6
4.	Основныеэнергетическиеи фотометрическиевеличины	7
5.	Основныехарактеристикиизлучателей	9
6	ТиповаяструктураОЭС и основныеего характеристики	11
7.	Фоныих общаяхарактеристика	13
8.	Ослаблениеоптическогоизлучения ватмосфере	34
8.1.	Молекулярноепоглощениеизлучения	34
8.2.	Методырасчета МП	34
8.3.	Аэрозольноеослаблениеоптическогоизлучения	41
8.4.	Релеевскоерассеяниеизлучения	43
8.5	Атмосфернаярефракция итурбулентность	45
9.	Примероценки контрастовмалоразмерныхобъектов	57
10.	Оптическиематериалы	61
10.1.	Показательпреломления	62
10.2.	Пропускание,отражение	63
10.3.	Физическиесвойстваматериалов	64
10.4.	Используемыеоптическиематериалы	64
10.5.	Нетрадиционныеоптическиематериалы наоснове стекла	66
11.	Оптическиефильтры	66
11.1.	Классификацияоптическихфильтров	66
11.2	Характеристикиоптическихфильтров	67
11.3	Основныетипы оптическихфильтров	68
12.	Оптическиесистемы формирующиеизображениев ИК областиспектра	70
12.1.	Зеркальныетелескопическиесистемы	70
12.2.	Зеркально-линзовыетелескопы	72
12.3.	Вспомогательныеоптическиеэлементы	74
12.4.	Формированиеизображения,аберрации	74
13.	Детекторыоптическогоизлучения	78
13.1.	Характеристикидетекторовоптическогоизлучения	78
13.2.	Типыдетекторовизлучения	80
13.2.1	Фотонныеприемники	80
13.2.2.	Тепловыеприемникиизлучения	81
13.3.	Промышленныеобразцы приемников	82
14.	Фотоприемникис переносомзаряда (ПЗС)	84
14.1.	ТрехфазныйПЗС	84
14.2.	ДвухфазныйПЗС	86
14.3.	Приборыс инжекциейзаряда (ПЗИ)	88
15.	Системыохлажденияприемниковизлучения	92
15.1.	Охлаждениесжиженнымигазами	92
15.2.	Охлаждениеза счет эффектаДжоуля -Томсона	92
15.3.	Криогенныемашины	92
15.4.	Термоэлектрическоеохлаждение	98
16.	Сканирующиесистемы	98
16.1.	Траекториисканированияпри регулярномпоиске	99
16.2.	Типысканирующихустройств	101
16.3.	Оптико-механическоесканирование	112
17.	Анализаторыизображения– растроваямодуляция	126
17.1.	Классификацияи принцип действиярастровыханализаторов	126
17.2.	Амплитуднаямодуляция	127
17.3.	Частотнаямодуляция	136
17.4.	Фазоваямодуляция	136
17.5.	Амплитудно-частотнаямодуляция	140
17.6.	Импульсно-частотнаямодуляция	140
17.7.	Амплитудно-фазоваямодуляция
17.8.	Частотно-фазоваямодуляция
18.	Видимостьв атмосфере	150
18.1.	ОпределениеМДВ	151
18.2.	Трассовыеизмерителиметеорологическойдальностивидимости	152
18.3.	Нефелометрическийметод определенияМДВ	156
18.4.	Нефелометры– аэрозольныеспектрометры	158
19.	Техническиеосновы системлазерногозондирования	161
19.1.	Применениетехнологиифлуоресцентногоанализа в другихпрактическихзадачах	167
19.2.	Источникфемтосекундногоимпульсногоизлучения в атмосфере	169

Нижерассматриваютсяобщие вопросыпостроенияи примененияоптико-электронныхи квантовыхсистем и устройств(ОЭС) с учётомдинамики внешнихусловий.

Оптико-электроннымипринято называтьсистемы и устройства,в состав которыхвходят какоптическиетак и электронныеузлы, причеми те и другиеслужат длявыполненияосновных задач,решаемых даннымприбором, т.ене являютсявспомогательнымизвеньями (примерывспомогательныхзвеньев – этоэлементыосветительных,отсчетных ит.п. устройств).

Сущностьфизическихпроцессов,определяющихдействие ОЭС,заключаетсяв преобразованииодного видаэнергии в другойи, в частности,энергии излученияоптическогодиапазонаспектра вэлектрическую.Т.о. действиеОЭС основанона приемеэлектромагнитногоизлучения вовсей оптическойобласти спектра,которая включаетдиапазон длинволн от 1 нм до1 мм. Впоследнемвыделяютучастки ультрафиолетового(0.001 –0,38 мкм), видимого(0,38-0,78 мкм) и ИК (0,78-1000мкм) излучения(см. структуруспектра электромагнитногоизлучения).

1.Задачи, решаемыес помощью ОЭС

С помощьюОЭС контактнымии дистанционнымиметодами получаютинформации

оразмерах,
форме,
положении,
энергетическомсостояниител-объектовнаблюдения,обнаружения,исследований

Указанныезадачи реализуютсяв результатеприема излученияв нужном спектральномдиапазоне длинволн, при заданныхракурсах и полезрения с получениемна выходе приемникаизлученияэлектрическогосигнала, которыйобрабатываетсяс целью выделенияиз шумов дляпоследующегоинформационногоанализа.

Началоразвития ОЭСкак мощногоинженерно-физическогонаправлениятехники мывправе отнестик сороковымгодам ХХ века,посколькуименно в этотпериод удалосьперейти отуровня простейшихприборов,рассчитанныхтолько на пассивныйметод работы/т.е. на приемвидимого итепловогоизлучениянагретых объектов/к отработкепринциповпостроенияквантовыхоптическихлокационныхсистем, использующихв своей основеисточникикогерентногоизлучения –лазеры.

ОЭС могутбыть квалифицированыпо следующимпризнакам:

рабочейобласти спектра(УФ, видимая,ИК);
способуформированияинформационногополя или типуисточникаизлучения;
способуобработки(использования)информации;

Спектрэлектромагнитногоизлучения

решаемойзадаче;
ширинерабочей полосыдлин волни т.д.

Способформированияинформационногополяопределяется,прежде всего, типом источникаизлучения и,в связи с этим,различают:

пассивныеОЭС, воспринимающиелибо собственноеизлучениенаблюдаемогоучастка пространства,либо совокупностьсобственногои отраженногоизлучения(доля последнегоформируетсясолнцем, луной,звездами ит.д);
активныеОЭС, в которыхиспользуетсяискусственныйисточник подсветкиисследуемогоучастка пространствапри последующеминформационноманализе сигналов,сформированныхпри приемеотраженногообъектом излученияв строго выделенномспектральномдиапазоне;
комбинированные,в которыхзадействованыоба из обозначенныхвыше методов.

Способобработки(использования)информацииопределяет:

автоматическиеОЭС,
индикационныеОЭС, в которыхинформациявыдается ввиде, пригодномдля принятиярешениячеловеком-оператором.

Исходяиз решаемыхзадач ОЭСподразделяетсяна:

пеленгационные(определениеположенияобъекта впространственаблюдения).Сюдаотносятсяоптическиепеленгаторы,оптическиеголовки самонаведения.
наблюдательные(тепловизионные,приборы ночноговидения и т.д.),
локационные(дальномеры,измерителискоростей ит.д.),
фотометрическиеприборы широкогои специальногоприменениядля оптико-физическихизмерений(фотометры,нефелометрыи т.д).

С учетомширины рабочейобластидлин волн ОЭСподразделяютна:

интегральные(радиометры,тепловизорыи т.д.),
спектральные(спектрометры,спектрорадиометрыи т.д.).

Учитываяособенностиквантовыхсистем и устройств,при их классификациивыделяют:

квантовыестандартыдлины, частотыи времени;
квантовыеусилители;
преобразователичастоты лазерногоизлучения;
лазерныемодуляционныеустройства;
лазерныесистемы (лидары,лазерныедоплеровскиеизмерителискорости, системысвязи, гирометрыи т.д.).

2.Краткий историческийочерк

ШирокоепрактическоеиспользованиеОЭС стало возможнымтолько начинаяс 30-40х годов XXвека, когдабыли достигнутыпервые ощутимыерезультаты в технологияхсоздания оптическихматериаловдля различныхдиапазоновспектра и, преждевсего, в разработкеприемниковизлучения,обладающихвысокой чувствительностьюв тех же областяхдлин волн.

Исследованиясвойств оптическогоизлученияведутся оченьдавно. Ещё вXVIII В.И. Ньютонописал опытыпо разложениюбелого светана квазимонохроматическиесоставляющие.Одна из первыхтеорий, объясняющихс физическихпозиций наблюдаемыеоптическиеявления, быларазработанаДекартом (XVIIвек) и затемНьютоном иосновываласьна представлениисвета каксовокупностикорпускул–мельчайшихчастиц эфира,распространяющихсявдоль определенныхтраекторий– световыхлучей. В этотже период появилисьпервые работыГюйгенса, вкоторых быласделана попыткаинтерпретациитех же явленийна основе понятийсветовой волны.Теория Гюйгенсадлительноевремя уступалапо популярноститеории Ньютонаи только благодаряисследованиямЮнга и Френеляна рубеже XIXвека получилаблестящееподтверждение.К концу XIXвека Максвеллдал волнамФренеля электромагнитнуюинтерпретациюи показал, чтовсякая световаяволна являетсяэлектромагнитнымвозмущением.Теория Максвеллабыла блестящеподтверждена опытным путемГерцем.

Электромагнитнаятеория, обобщеннаяв виде системыдифференциальныхуравнений,явилась вершинойклассическогоэтапа развитияоптики.

Второй этаптесно связанс преобразованиями,которая оптикапретерпелав начале XXвека. В 1905 году Эйнштейн наоснове теорииПланка возродилкорпускулярнуютеорию светав новой форме.В 1916 году он жепредсказал,что переходэлектрона ватоме с верхнегоэнергетическогоуровня Е_внанижний Е_ни сопровождающееэтот акт излучениемогут происходитьне толькосамопроизвольно:под влияниемвнешнегоэлектромагнитногополя возбужденныйатом можетпреждевременноосвободитсяот избыткаэнергии путемизлученияфотона Такоеизлучение былоназвано вынужденным,индуцированным.Вероятностьиндуцированногоизлучения резковозрастаетпри совпадениичастоты электромагнитногополя с собственнойчастотой излучениявозбужденногоатома.Такимобразом, в результатевзаимодействиявозбужденногоатома, готовогоиспустить фотонh=Е_в – Е_н, сфотоном получаютсядва совершенно одинаковыхпо энергии инаправлениюдвиженияфотона-близнеца.Пролетающийфотон как быстряхиваетс возбужденногоатома подобныйсебе фотон, незатрачиваяна это энергиии результирующаяволна имеетамплитудубольшую, чем падающая.Особенностьюиндуцированногоизлученияявляется то,что оно монохроматичнои когерентно.

Успешноподтвержденнаягипотеза Планкао квантовойприроде излучениясвета и гипотезаЭйнштейна(1916) в сочетаниис успехамирадиотехникии потребностямипрактики послужилибазой для изобретенияоптическихквантовыхгенераторови рожденияинтенсивноразвивающейсяновой областинауки –квантовойэлектроники.

Навозможностьиспользованияиндуцированногоизлучения длянаблюденияотрицательногопоглощения(т.е. усиления)веществом,впервые указалв 1940 году В.А.Фабрикант.

Многосил инженерамиразличных странбыло затраченона созданиегенераторовмаксимальнокоротких волн.Длина волнынаиболее короткихволн, полученныхрадиотехническимисредствами,составляетвеличину порядка1000 мкм. Попыткиполучить ещёболее короткиеволны натолкнулисьна непреодолимыетрудностиизготовленияминиатюрныхрезонансныхсистем, размерыкоторых должныбыть порядкадлины волны.

Решениепоследнейпроблемы возможнона пути использованияв качестверезонаторовнепосредственноатомов и молекул,имеющих самыеразнообразныечастоты колебания.Таким образом,такая проблемастимулироваласоздание новоготипа прибора– квантовыхгенераторовизлучения длягенерациикогерентныхэлектромагнитныхколебаний воптическомдиапазонеспектра.

Отметимздесь, что термин“ОКГ”не бесспорен,посколькугенераторомоптических(некогерентных)квантов являетсяи горящая спичка.Поэтому дляобозначенияобсуждаемогокласса излучателейнаибольшееприменениенашел термин“Лазер”,сформированноеиз первых букванглийскойфразы “световойусилительс помощьювынужденногоизлучения”по аналогиисо своим предшественником,названным“Мазер”,который относитсяк первым СВЧгенераторам,разработаннымпроф. КолумбийскогоуниверситетаЕ.Таунсом в1954 году и использовавшимявление вынужденногоизлучения.

Началоосновноготехнологическогопрорыва в оптическомприборостроенииследует отнестик 1920-1930 гг., когдабыл создан рядискусственныхисточниковУФ и ИК излучения.Чуть позднеепоявилисьпервые многокаскадныефотоумножители,первые фоторезисторы,чувствительныев ИК-областиспектра.

Успехии интенсивностьразработокв областиоптоэлектроники (раздела наукии техники,исследующейпроцессывзаимодействияоптическогоизлучения свеществом дляпередачи, приема,хранения и т.д.информации)в этот и последующийпериоды взначительнойстепени былистимулированырасширениемвоенных примененийОЭС. Здесь вконце XX векаотчетливопроявиласьтенденция ккомплексированиюв аппаратуреодного и тогоже назначениянесколькихканалов, работающихкак в оптическом,так и в радиодиапазоне,что оказываетподчас решающеезначение, например,в повышениидостоверностипоказанийдистанционныхсистем наблюденияили управления,в которых операторуили автомату-дешифраторув каждом конкретномслучае предъявляетсявзаимодополняющийнабор информационныхпризнаков дляпринятия максимальноправильногорешения.

3.Сравнениеприборов (систем)оптическогодиапазона срадиоэлектроннымиустройствами.

Сравнениепозволяетвыделить ряднеоспоримыхпреимуществОЭС по отношениюк радиоэлектроннымприборам, которыевытекают изразличий диапазоновспектра электромагнитныхволн.

Действительно,если вспомнить,что минимальноразрешаемыйпри дифракцииугол пропорционаленотношению длиныволны к диаметрувходного зрачкаD, т.е. /D,то легко объяснитьболее высокуюразрешающуюспособностьОЭС. Отсюдаследует принципиальноболее высокаяточностьоптико-электронныхизмерений,ограничиваемаяразрешающейспособностьюОЭС, а также ихпреимуществопо массо-габаритнымпоказателям.Отметим в этомслучае и тообстоятельство,что для формированиядиаграммынаправленностирадиоизлучения с расходимостью0,1 на длиневолны =1м необходимоантенное устройствос размерами1(100 м), с тех же позицийв оптическомдиапазоне длинволн диаметрформирующего поток излученияобъектива сподобнойрасходимостьюможет иметьразмеры в десяткимм или единицысантиметров.

Частотаэлектромагнитныхколебаний воптическомдиапазонесущественновыше, чем врадиодиапазоне.Например, ввидимом диапазонечастота световыхколебаний вмлн раз превышаетчастоту волнв радио и телевещании.Это определяетвысокую информационнуюемкость оптическогоканала. (Напомним,что для передачиобычноготелевизионногоизображениятребуетсяполоса частот5 Мгц.Поэтому в метровомдиапазоне (=1м.,300Мгц.) можно передатьлишь около 10телевизионныхпрограмм, воптическомдиапазоне притом же отношениисигнал/шум– это числовозрастаетв млн.раз).

Передачаинформациив оптическомдиапазонеосуществляетсяфотонами, которыев отличие отэлектронов– электрическинейтральныечастицы, невзаимодействующиемежду собойи внешнимиполями. Этодопускаетвозможностьидеальнойгальваническойразвязки входаи выхода,однонаправленностьпотока информации,высокую помехозащищённость.

Кчислу другихдостоинствОЭС следуетотнести возможностьдвойной (пространственнойи временной)модуляцииизлучения, атакже близкуюдля восприятиячеловекомвизуальнуюформу представленияинформации.Однако с представленнымипреимуществамидолжен бытьназван ряднедостатковоптическогодиапазона длинволн, в частности,большее ослаблениеизлучения ватмосфере,значительноечисло фоновыхпомех от естественныхи искуственныхисточников.

4.Основныеэнергетическиеи фотометрическиевеличины.

Простейшийвид излучения– монохроматическое,т.е. излучениехарактеризуемоеочень узкиминтерваломдлин волн. ₁-(₁при 0.Монохроматическоеизлучение можнохарактеризоватьи частотой ,причем связьпоследней сдлиной волныопределяетсоотношение

(с-скоростьсвета).^*)

Спектральныйсостав излучения,т.е. распределениеэлектромагнитнойэнергии подлинам волнили частотамявляется каккачественнойхарактеристикой,так и количественнойпри определенииоблученностивходного зрачкаОЭС.

Определимосновныеэнергетичекие величиныоптоэлектроники:

Лучистыйпоток Ф_е- средняямощность,переносимаяоптическимизлучениемза время значительнобольшее периодаэлектромагнитныхколебаний

[Вт]

/ 1 Вт= 10^-7эргс^-1=0234 кал.с^-1=6,2410¹⁸эВ с^-1/.

Прирасчетах ОЭСособый интерестакже представляют:

Энергетическаясветимость(поверхностнаяплотностьизлучения) М_е:отношениеиспускаемогоповерхностью по одну сторонуот себя (т.е. –в полусферу)полного лучистогопотока к площадиэтой поверхности

Облученностьили энергетическаяосвещенность(плотностьмощности) Е_еопределяетотношениелучистогопотока dФ,падающего накакую-либоповерхность,к площади этойповерхностиdS₂

Энергияизлучения

* Отметимтакже широкоеприменениев оптике (спектроскопии)единицы шкалыдлин волн –волновых чисел

Силаизлучения
или энергетическаясила света –отношениелучистогопотока dФк телесномууглу

,в пределахкоторого онраспространяется

Лучистостьюили энергетическойяркостьюизлучающейповерхностив данном направленииназываетсяотношениеизмереннойв этом направлениисилы излученияк видимой площадиизлучающейповерхности

Для плоскихизлучающихповерхностей,имеющих лучистость,одинаковуюво всех направленияхдействует законЛамберта

откуда

ЗаконЛамберта справедливтолько для АЧТ,а также идеальнорассеивающихповерхностей.Широко известноследствие иззакона Ламберта

Фотометрические(световые)величины:определяютспектр излученияв пределахчувствительностичеловеческогоглаза.

Световойпоток

где

-максимальноезначение такназываемогокоэффициентавидности

=683 лмВт^-1)

- относительныйкоэффициентвидности, спектральносовпадающийс кривой видностичеловеческогоглаза, максимумкоторой

расположенв зеленой областиспектра (0,555мкм).

Соответственноразличают:

Световуюэнергию

/1 лмс=1тальбот/
Силусвета
Светимость

/1лк=1лмм^-2=10^-4фот/
Яркость

.

Основныехарактеристикиизлучателей

Длясравненияразличныхизлучателейцелесообразноиметь общийэталон. Им являетсячерное телоили полныйизлучатель,имеющий призаданной температуредля всех длинволн максимальновозможнуюспектральнуюплотностьэнергетическойяркости. Черноетело полностьюпоглощает всепадающее нанего излучениенезависимоот длины волны,поляризациии направленияпадения, поэтомуобычно говорятоб абсолютночерном теле(АЧТ).

Любойреальный излучательхарактеризуетсякоэффициентомизлучения(коэффициентомчерноты) - отношениемего энергетическойяркости кэнергетическойяркости АЧТ при той жетемпературе.

Тепловойизлучательдля котороговеличина ()не зависит отдлины волныназываетсянеселективными, наоборот,при условии =f()мы имеем делос селективнымизлучателем(см.рис.1).
СветовымКПД излучателяназываетсяотношение
Световаяотдача К_св– это отношениеМ_ квеличинеэнергетическойсветимости
Яркостнаятемпература– это температурачерного тела,при которойоно имеет туже спектральнуюплотностьэнергетическойяркости, чтои рассматриваемоетело (излучатель)

Распределениеэнергии поспектру длинволн в излученииАЧТ описываетзакон Планка

, (1)

гдеС₁=3,741510^-16Втм²,С₂=1,4387910^-2мК

Изформулы Планкаможно получитьвыражение длязакона Стефана-Больцмана:

(2)

т.е. энергетическаясветимостьАЧТ определяетсяего температуройв четвертойстепени (=5,6697110^-8Втм^-2к^-4 – постояннаяСтефана-Больцмана).

Экстремумфункции (1) определяетзакон Голицина–Вина

(3)

(- [мкм],Т-[K])

Какпример применениясоотношения(3) можно оценитьобласть максимумаизлучениятакого телакак планетаЗемля, средняятемпературакоторой Т_З290К. Видно, чтоэта величинаблизка

в то время как

дляСолнца (Т6000К)соответствуетзеленой областивидимого спектра.

Рис.1. Зависимостьспектральногокоэффициентаизлученияматериалов_от длин волн. Альб.лист

Дляудобстваиспользованияв расчётахсоотношения(1) в справочникахпредставляетсяединая изотермическаякривая, котораяполучаетсязаменой в (1)переменныхна

Чтобыпо значениямединой изотермическойкривой y(x)вернутьсяк кривой Планканеобходимо:

Определить

по(3)
Определить
для выбранных определить
найтиy(x) и в заключение-
.

Полезноотметить, чтодля длин волн

величина

изменяетсяпропорциональноТ, а в области

-увеличиваетсяпропорциональноТ⁵.

Взявпроизводную

,можно найтидлину волны

,при которойскорость изменения

максимальна.

Вчастности,

(4)

Типоваяструктураканала ОЭС иосновные егохарактеристики.

Практическидля большинствавидов ОЭС настадии созданияразработчикамследует учитыватьвзаимозависимость(взаимообусловленность)характеристик,определяющихвесь каналфункционированияприбора, а именно– систему “объект-фон–атмосфера-прибор-оператор”.В указаннойсистеме соотношениеяркостей наблюдаемогообъекта и окружающейсреды (т.е. фона)или, как принято,их определять,контраст объекта

(5)

и его динамикаво времениочевиднымобразом должныучитыватьсяпри определенииконструктивныхособенностей самой ОЭС.

Контрастобъекта деформируетсякак по спектральномусоставу, таки по амплитудеза счёт влиянияучастка атмосферы,разделяющегообъект и входнойзрачок ОЭС. Ватмосферепроисходитнеодинаковоедля различныхдлин волн поглощениеи рассеяниеоптическогоизлучения,формированиеполя рассеянногоизлучения.

ФОН

атмосфера

ОЭС

оператор

Таким образомв системе наблюденияОЭС-объектнеобходиморассматриватьследующиесоставляющиечасти трассывизирования:

объект

Непосредственнос ОЭС связаныследующие частиоптическогоканала:

оптическаясистема (зеркальная,линзовая илизеркально-линзовая),которая осуществляетформированиеизображениянаблюдаемогоучастка пространства,фотоприемноеустройство,которое состоитиз приемникаоптическогоизлучения ипредусилителя,сигнал с которогоподается вэлектроннуюсистему обработкии видеоконтрольноеустройство.

В последнемслучае заключаетканал ОЭС оператор,на принятиерешения которым (с этим такжеследует считаться)влияют свойствазрительноговосприятия(т.е. глаза)-психофизическиесвойствачеловеческогомозга.

Количественнуюоценку свойстви эффективностиОЭС в том илиином режимеего примененияосуществляютс помощью рядаосновныххарактеристик,в числе которых:

Пороговаячувствительность– это наименьшаявеличина потокаизлучения,наименьшаявеличинаосвещенности,при воздействиикоторой навходной зрачокоптическойсистемы прибора,обеспечиваетсязаданная вероятностьвыполненияосновной функцииприбора (обнаружениеобъекта, точностьслежения,адекватностьвосприятияизображенияи т.д.).

В тех случаях,когда необходимохарактеризоватьнепосредственнофотоприемник,то говорят обобнаружительнойспособности– величинеобратно пропорциональнойпороговойчувствительности.В практикесоздания ОЭС,работающихв тепловойобласти спектраудобно характеризоватькачество изделияспособностьюразличатьминимальнуюразность температур двухучастков наблюдаемоготела. Эта характеристика,типичные значениякоторой изменяютсяв пределах0,01-0,5, наиболееинформативнаи наглядна винженернойпрактике.

Пороговомузначениючувствительностиестественносоответствуетпредельноезначение отношениясигнал/шумS/N ОЭС, прикотором возможнаработоспособностьприбора.

Дальностьдействия– определяетсяпорогом чувствительностиОЭС и характеризуетмаксимальнуюдистанцию (илиопределённый диапазондистанций), накоторый пристрого определенныхвнешних условияхреализуетсяосновная функцияприбора.
Полеобзора –телесный уголс вершиной вцентре входногозрачка оптическойсистемы, в пределахкоторого реализуетсяосновная функцияприбора, напримердля системнаблюдения- возможностьразличатьобъект. Длясистем сканирующеготипа поле обзораформируетсякак совокупностьмгновенныхполей зрения.
Мгновенноеполе зрения– это телесныйугол с вершинойв центре входногозрачка оптическойсистемы, в пределахкоторого ОЭсфиксируетчасть пространствас заданнымпространственнымразрешениемв данное времяt,при условии,что обзор всегопространствазанимает интервалвремени t₀=t.
Времяобзора t₀–время осмотраполя обзора.Иногда задаютчисло кадров-величину,определяющуютелевизионныесистемы и частотуобновленияинформации.Мгновенноеполе ОЭС определяетсяразмером входногозрачка и таккак всегда вприборе присутствуетполевая диафрагма,её размероми фокуснымрасстояниемобъектива.

Фоны,их общая характеристика

Основныесвойства фоноврассмотримдля классовОЭС, работающихна естественныхоптическихтрассах в приземномслое воздуха,с авиационныхи космическихносителей.Подобный подходозначает лишьтот факт, чтовнимание будетуделено практикепримененияОЭС для наблюденияудаленныхобъектов.

Практическидля всех случаевследует подчеркнуть,что классифицироватьбольшинствоисточниковизлучения(объектов наблюдения)как цель илифон затруднительно,так как в зависимостиот задачи, решаемойОЭС, один и тотже объект можетбыть как фоном,так и целью.Например, облака– фон, мешающийпеленгациистартующихс поверхностиземли ракети эти же облака– цель для ОЭС,устанавливаемыхна космическихаппаратах-спутникахпогоды. Вместеобъекты и окружающийих фон образуютполе излучений– фоноцелевуюобстановку(ФЦО), спектральныехарактеристикикоторой изменяютсяв пространствеи во времени.Для системобнаруженияи распознаванияодной из основныхфункций являетсяоперативныйанализ ФЦО,завершающийсявыделениемиз шума сигналареальной цели.Эта задачаосложняетсятем, что еслиисточникомполезногосигнала являетсятолько излучениереальногообъекта – цели,то источникомшума могут бытьизлучения какестественногофона, так и ложныхцелей, собственноеизлучениеоптическойсистемы, шумприемника иусилителясигнала, а такжефлуктуациипараметроввсех элементовОЭС.

Данныев ФЦО необходимыдля решенияследующих задач–

созданиямоделей типовыхцелей и алгоритмовобнаружения,распознаванияи сопровождения,целей с разделениемих по приоритетности;
управленияосновнымиоптическимипараметрамиобъекта дляих оптимизациипри созданиималозаметныхцелей, например,по технологии,определяемойв зарубежнойпрактике как“Стелс-технология”
имитациии моделированияразличныхрежимов работыОЭС на стадииотработкиконструкциии, в том числе,в плане решениязадачи снижениястоимостиприбора;
разработкисистемы идентификацииобъектов сложнойконструкциив автоматическомрежиме за счетфильтрациифона и корреляциипутем сравненияхарактерныхпараметровпринимаемогоизображенияи эталона цели.

Объеминформации о ФЦО, необходимыйразработчикамОЭС, зависитот типа и назначенияприбора. Например,является липрибор пассивнымили активным.При этом помере увеличениясредств радиоэлектронногопротиводействия,по единодушнойоценке, специалистоввсе шире будутиспользоватьсякомбинированныепассивно-активныемногоспектральныеОЭС.

В видетаблицы дадимиллюстративный пример комплексированияразличныхдиапазоновдлин волн дляполучениятребуемойинформациио летательныхаппарата.

ОЭСкомбинированноготипа из двухдатчиков

Объектобнаружения

Информация,которая должнабыть получена

Коротковолновый.+ длинноволн.

ИК диапазон ИК диапазоны

Коротковолн. + Видимый

ИК диапазон диапазон

УФ диапазон + Видимый

диапазон

Факел

Холодные

Объекты

Аэродинамическиецели

Высотаполёта цели,величина тяги,состав топлива

Габариты,форма конструкции,ориентация относительносолнца, температуракорпуса

Составтоплива

Примеры исходных условийнаблюдения:

Излучениемощных ракетныхдвигателейна активномучастке полетасконцентрированов области 2,7 и4,26 мкм и характеризуетсятемпературой1400 К. Приэтом сила излученияфакела можетдостигать(1…8)10⁶втср^-1,что на несколькопорядков превосходитсилу фоновогоизлучения. Назаключительномэтапе активногоучастка, приразделенииголовной частиракеты, двигательныеустановкиотдельныхсубэлементовсущественномаломощны,сила их излучения30-100 втср^-1,а температуранагрева поверхности300 К, чтосравнимо степловым фономЗемли. В данномслучае удобнееразличатьтакие субэлементына фоне “холодного”космоса, температуракоторого 4К.
В системеУФ/видимыйканалы условиянаблюдениясущественноизменяются– здесь должныучитыватьсяфакторы отражениясолнечногоизлучениякорпусом,минимальныйконтраст холоднойцели в УФ и наличиездесь информационногосигнала от неёв том случае,если действуетдвигательнаяустановка (ДУ)/ минимальныйконтраст целибез ДУ в УФобусловленпрактическиполным поглощениемизлученияозоном атмосферыв области 0,22 мкм и резкимснижением вобласти длинволн короче0,3 мкм коэффициентовотражениясовременныхконструкционныхматериалов/.

Какуже отмечалось,фоновые образованияявляются сложныминестационарнымиисточниками,оптическиехарактеристикикоторых зависятот многих причин:

условийосвещения,
географическогоположения,
сезона,
метеоусловий,
типаподстилающейповерхности,времени и т.д.

Поэтомунаиболее адекватныерезультатыописания фоновмогут бытьполучены толькона основестатистическогоанализа экспериментальныхданных с выделениемдисперсии,коэффициентовкорреляции,средних величини т.д.

Сучетом излученияСолнца и температурногорежима естественныхисточниковизлучения наЗемле в общемпотоке радиациивоспринимаемойОЭС в диапазонедлин волн 3…3,5мкм доминируетотраженноеизлучение - этотак называемаяподсветочнаяобласть спектра.В области >5 мкм преобладаетсобственноеизлучениеобъектов ифонов. Участокдлин волн 3-5 мкм–как бы переходный.

Нижена рис.2-19 проиллюстрируемэнергетическиехарактеристикифонов типичнымипримерами ввиде спектральныхзависимостейизмененияяркости фонови объектов илисоставляющихих элементов.

Рис.2 Схематическийспектральныйход яркостиоснащенной

Солнцем стороныЗемли, наблюдаемойсо спутников.

Пунктирнымикривыми показанаяркость абсолютно

черного телапри температуре300С и 200К.

Рис.3. Спектральнаясигнатура фона– поверхности

земли(а) и факеларакетногодвигателя (б).

Рис.4. Спектральныйсостав отраженнойсолнечнойсоставляющей

отинверсионногоследасамолета В-57на высоте 8,5 км

(измерениясверху).

Рис.5. Спектральнаяинтенсивностьизлученияфакела

в функциидлины волныдля пяти типовРДТТ

ракеты“Сатурн”

Рис.6. Спектральныйход яркостиоблаков и льда

(1-перистые,2-кучевые, 3-ледсо снегом).

Рис.7. Спектральнаяяркость ясного солнечного

неба врайоне Колорадона высоте 3,3 км,

t=+8С(различныеуглы возвышения).

Рис.8 Изотермыфакела турбореактивногодвигателя

намаксимальнойтяге на уровнеморя без

дожиганияи на форсаже.

Рис.9. Полетемпературфакела ракетногодвигателя.

Рис.10.Индикатрисыизлучениясамолета “В-66”

сдвумя турбореактивнымидвигателями;

а– в вертикальнойплоскости, в– в горизонтальной.

Рис.11.а,б – относительнаяспектральнаялучистостьдля некоторых

фоновыхобразований,в- спектральнаялучистостьтипичных

земныхфонов при наблюденииднем: 1-снег,2 – черное тело35С;

3- почва 32С;4-белый песок;5 – трава.

Рис.12. Примерсъемки местностив видимом (а) иИК(б) диапазонах.

На рис.12 бвидно яркоебелое пятно– пленка нефтепродуктовна воде.

Рис.13.Изображениеобъекта в области8-14 мкм

(Виденяркий двигательныйотсек).

Рис.14.Тот же объект,зарегистрированныйв области 4-5 мкм:

визображении:превалируетяркость факелаДУ

Рис.15. ИК съемкаместности научастке

слива врекупромышленныхстоков.

Рис.16.Демонстрацияэффекта, достигаемогосинтезированием

(объединением)изображений,полученныхв нескольких

спектральныхдиапазонах:А) 1-2 мкм: Б)3,5-5,5 мкм;

В)8-13 мкм; Г) – синтезированноеизображение.

Рис.17. Некоторыепримеры данныхпо учету

особенностейизменения ФЦО.

Рис.18. Изменениеяркости одногои того же объекта

в разныхусловиях (примермодельногорасчета)

Рис.19Физическоеи математическоемоделированиев лазернойлокации (ЭПР– эффективнаяповерхностьрассеяния).

Оптическиесистемы, формирующиеизображенияв ИК областиспектра

В коротковолновой– УФ и видимойобласти спектраформирующаясигнал оптикаОЭП выполняетсяв виде системылинз –линзовыхобъективов.Успехи в развитииоптическогоматериаловеденияи технологииобработкиматериаловпозволяютизготовитьлинзовые объективыи в ИК областиспектра. Характерныйпример – германиевыеобъективы,основной недостатоккоторых преждевсего высокаястоимость. Сдругой стороны,оптика в ИКдиапазоне волнможет бытьчисто зеркальной.В этом случаеона полностьюахроматичнаи может работатьс очень высокимпропусканиемна всех длинахволн Неудобствозеркальнойоптики в том,что невозможнообеспечитьбольшое полеиз-за внеосевыхгеометрическихаберраций.Увеличить полеможно путемвведения преломляющихэлементов,называемыхкорригирующими,т.е. применениемзеркально-линзовыхсистем.

Коррекцияухудшает спектральноепропускание.

Наконец дляширокоугольнойпо полю оптикиприменяетсяв основномпреломляющиеэлементы. Введениеасферическихповерхностейпозволяетсущественноуменьшить числоэлементов всистемах,предназначенныхдля решенияконкретнойзадачи. Оптическоепропусканиеможно увеличитьза счет просветленияпреломляющихповерхностей.

Зеркальныетелескопическиесистемы

Параболическоезеркало

З₁

ПР

З₁

(гиперб)

З₂(плоск)
ТелескопНьютона

ТелескопКассегрена

З₂(гиперб)

З₁(парабола)

З₂(эллипт.)

З₁(парабола)

Пр
ТелескопГрегори

ТелескопГершеля (безэкранирования)

Пр

Осевойтелескоп безэкранирования

Пр-к

З₂

З₁(параб.)

З₃(эллипс)

Зеркально-линзовыетелескопы

ТелескопШмидта

З₁(сфера)

М₁(мениск)

ТелескопМаксутова–Бауэра

З₁(сфера)

М₁(толст.мениск концентр.с З₁)

ТелескопМанжена –корригирующийэлемент непосредственнона зеркале

З₁+М₁

ТелескопКассегренас корригирующимэлементомМаксутова

З₁

М₁

З₂

Т

елескопКассегренас корригирующимэлементомМанжена

З₁

Телескопс корригирующимэлементомвблизи фокуса

З₁

З₂

Иммерсионнаясистема Шмидта

ФП

Вспомогательнаяоптика

Обтекатели
Линзадля спрямленияповерхностиизрбражения
Призмы
Делители
ЛинзыРэлея и световыоды

/ЛинзаРэлея служитдля перефокусировкиизображенияв новую болееудобную плоскость.Применяетсяредко. Световодслужит дляпереноса изображениябез перефокусировки/.К вспомогательнымэлементамследует отнестибленды (рис.31).

Рис.31

Формированиеизображения,аберрации

Попадая вОЭС , излучениепроходит внутриеё ряд сред.Входная оптика– это та частьсистемы, котораясобирает излучениеи формируетизображение,анализируемоезатем модулемпространственногоразложения.Поэтому характеристикиоптическихкомпонентовявляются однимиз факторов,ограничивающихкачество ОЭСпо такому, например,параметру какобнаружение.Указанныеограничениясвязаны преждевсего с геометрическимии хроматическимиаберрациями.

Хроматическиеаберрации

Для тонкойлинзы с фокуснымрасстояниемf и показателемпреломленияn()и радиусамикривизныR и R для оптическойсилы

можнополучить соотношение

, (39)

пределяющеерасплываниев диапазоне=₁…_iизображенияточки, связанноесо спектральнойзависимостьюn()/

Исправлениехроматическихаберрацийосуществляетсякомбинациейлинз в объективет.о., чтобы дисперсияодной линзыкомпенсироваласьдисперсиейдругой. Результатомсоздания такогодублета формируетсяахромат. В некоторыхслучаях требуетсяприменениеболее сложнойоптическойсистемы, составленнойиз трех линз(апохромат)

Продольнаяхроматическаяаберрация dx взависимостиот длины волныиллюстрируетсяграфическимирисунками(1-ахромат, 2-апохромат,3-нескорригированнаясистема).

Геометрическиеаберрации.

В соответствиис геометрическойоптикой в Гауссовомприближенииизображениеобъекта, расположенноговблизи главнойоптическойоси (оси вращенияоптическойсистемы) можнополучить дляпараксиальныхлучей, образующихс осью малыеуглы: на практикесистемы должныиметь достаточнобольшие относительныеотверстия иполя зрения,т.е. работатьв условиях ,далеких отсформулированноговыше допущения.Результатомэтого являетсявозникновениечетырех видоваберраций.

Сферическаяаберрация (СА)

СА сильноувеличиваетсяс ростом апертурногоугла, не зависитот размераизображенияy.Поперечнаясферическаяаберрация dyимеет круговуюсимметрию.Причем dy=ah³D/f,где а – коэффициентсферическойаберрации, D/f-относительноеотверстиеобъектива.Коррекция САпроизводитсяза счет достиженияусловия, чтов объективеа_0расчетным путем(за счет достижениявзаимной компенсациичленов третьегопорядка членамипятого порядкав полиноме,определяющеманалитическоевыражениеdx.Линза,соответстующая,минимальнойаберрацииназываетсялинзой оптимальнойформы. Коэффициентформы

-1

-2 -1 0 1 2

Сферическаяаберрацияпростых линзбыстро уменьшаетсяс уменьшениемпоказателяпреломления.

Кома– определяетсяотклонениемусловия Аббе
для апланатическихсистем. Еёхарактеризуетотношение

Кома проявляетсявне оптическойоси (в косыхпучках даетизображениене обладающеекруговой симметриейи увеличиваетсяс увеличениемполя и апертурысистемы.

Дляэтого типааберрации

здесь - угловоеполе в пространствепредметов.

Так как кома в реальномобъективенакладываетсяна СА при определенныхусловиях САможет скомпенсироватьэтот вид аберрации(изопланатизм).

Астигматизми кривизнаполя

При астигматизмевблизи изображенияпучок излученияобразует двеузкие зоны. Этизоны или геометрическоеместо “фокусов”астигматизмасостоят из двухвзаимно перпендикулярныхсегментов,называемыхсоответственнотангенциальным(меридиональным,перпендикулярнымплоскостисимметриипучка) и сагиттальным(лежащим в этойплоскости)геометрическимместом точексхода лучей.

Для этоговида аберрации

Благодарякривизне поля,к которой приводитастигматизм,уже не существуетплоскостиизображения,а есть криваяповерхностьизображения.

Дисторсия

Дисторсияопределяетсясоотношением

dy=y³d³

здесьd- коэффициентдисторсиисистемы и независит отапертурыh

Еслиd>0, изображениевытягиваетсяк краям поля(подушкообразнаядисторсия),если d– увеличениек краям полястановитсяменьше и имеемдело с бочкообразнойдисторсией.Дисторсия невлияет на качествоизображения,но изменяетположениекаждой точки.

Обычно всерассмотренныевиды аберрацийодновременноприсутствуютв оптическихсистемах вбольшей илив меньшей степени.Задача оптическогорасчета состоитв том, чтобыобщий кружокрассеяния,обусловленныйвсеми аберрациями,не превосходилтребуемойвеличины илиразмера чувствительнойплощадки приемникат.е. мгновенноеполе зренияОЭС не должнобыть ограниченоаберрациями.

Детекторыоптическогоизлучения

Необходимостьизмерять илиобнаруживатьоптическоеизлучениевозникла, фактически,со времениоткрытия ИКизлучения –это исследованияГершеля 1800 г.,приведшее в1800 г. к: обнаружениютепловогоэффекта запределамикрасной границывидимого диапазонадлин волн,разложенногов спектр с помощьюпризмы) и УФизлучения(опыты 1801 г. Риттерапо воздействиюна светочувствительныематериалы).

Приемникизлученияпреобразуетпоступающийна него оптическийсигнал, которыйявляется функциейпространственныхкоординат ивремени F(x,y,z),в электрическийсигнал илиреакцию приемникав форме напряжения,тока или мощности.Существуетдва вида использованияприемника:приемникипотока (радиометрия),которые осуществляютинтегрированиеоптическогосигнала попространственнымпеременными реакция которыхявляется функциейвремени:

;

приемникиизображения(глаз, фотография,матрицы), в которыхинтегрированиесигналов происходитпо времени иреакция которыхявляется функциейпространственныхпеременных

Приемникипотока даютреакцию, котораяотражает измененияпо временипопадающегона приемниксигнала. В частности,когда эти измененияотражают перемещениеэлементарногополя зрения,визируемогоприемником,система сочетаетв себе оба видаиспользованияприемников,т.е. идет речьо получениителевизионного(тепловизионного)изображений.

Характеристикидетекторовоптическогоизлучения

При определениипараметровдетекторовоптическогоизлучения –фотоприемников(ФП) отмечаютпрежде всегохарактеристикичувствительностии общие характеристики.К числу последнихдолжны бытьотнесены:

геометрическиепараметры,
электрические(позволяютописать приемникпараметрамиэквивалентнойсхемы),
оптическиесвойстваприемника-последнийэлемент оптическойсистемы,
механическиесвойства,температурныесвойства, временныесвойства(старение).

ЧувствительностьФП – это отношениеизмененияэлектрическойвеличины навыходе ФП, вызванногопадающим нанего излучением,к количественнойхарактеристикеэтого излученияв заданныхэксплуатационныхусловиях. Помимополезногорегулярногосигнала навыходе ФП имеетсяхаотическийсигнал со случайнойамплитудойи частотой –шум ФП. Шум –это флуктуациинапряженияили тока приемника,выражаютсясреднеквадратичнойвеличиной вида:

Типичныйспектр мощностишума полупроводниковыхФП приведенна рис.32. В областиизбыточногошума (зона f₁),обусловленногоглавным образомконтактнымиявлениями,спектр шумаподчиняетсязакону 1/f^при =1.Причем, обычноf₁~ 1000 Гц.Широкая область f₁-f₂областьбелого шума.

Рис.32.

Отношениесигнала (S)к шуму (N)определяюткак отношениемощности сигналак мощностишума.
Мощность,эквивалентнуюшуму W_пор.определяетстоль слабыйпоток излучения F₀,,при котороммощность сигналаW_s,эквивалентнамощности шумаW_ш, такчто

,

гдеW(- величинапотока излучения,S_-чувствительностьприемника, f-ширина полосыпредусилителя,А_d– площадьФП..

ИнтегральнаячувствительностьR(,f,d)характеризуетпреобразованиеоптическогопотока Fв напряжениеили ток

ОбнаружительнаяспособностьD

Этовеличина обратнаяпотоку, эквивалентномушуму (G- коэффициентусиления).

, [Вт^-1]

Обнаружительнаяспособностьзависит от рядапараметров:

спектральногосостава и частотымодуляцииизлучения,
условийпитания и шириныполосы системыобнаружения,
температурыприемникаизлучения.

Чтобыиметь возможностьсравниватьразличныеприемники междусобой удобноиспользоватьобнаружительнуюспособностьотнесеннуюк корню квадратномуиз площади иполосы пропускания,называемуюудельнойобнаружительнойспособностьюD

Кромеобозначенных,приемникиизлученияопределяют:

Локальнаячувствительность
СпектральнаячувствительностьS()
Чувствительностьв функции частоттракта усиленияS(f)
Полосапропусканияприемника
Постояннаявремени
Температурнаячувствительность

Типыдетекторовизлучения

Известнымногие физическиеявления, которыемогут использоватьсядля обнаруженияпадающего наприемник излучения.Эти явленияделятся на двакласса:

а - фотонныеэффекты, обусловленныенепосредственнымвоздействиемфотонов излученияна энергетическоесостояниеатомов приемника;

б – тепловыеэффекты, возникающиев результатенагреванияприемникапоглощеннымизлучением.

Здесь рассмотримте типы приемников,которые нашлиприменениев практикеразработкиОЭП. (см. диаграмму).

Фотонныеприемники

В номенклатурефотонных приемниковшироко представленыфотоэмиссионныеприемникиизлучения(ФЭП).

Речь идето фотоэлектрическихприемникахс внешнимфотоэффектоми прежде всего- о фотоэлементах.Наблюдаемыйв ФЭП сигналсоответствуетчислу электронов,испущенныхтвердым теломпод действиемпадающих фотонов,и зависит отприложенногок фотоэлементупостоянногонапряжения.

Чувствительностьи квантовыйвыход ФЭП зависитот работы выхода,т.е. энергии,которую необходимосообщить электронам,чтобы они былииспущены веществомв вакуум.

Некоторыефотоэлементынаполняютинертным газомдля увеличениячувствительностиза счет ионизациигаза, но приэтом шум фотоприемникавозрастает.Другой путьповышениячувствительности– использованиевторичнойэлектроннойэмиссии (ФЭУ)в приборахдиодного имикроканальноготипов).

ОбластьчувствительностиФЭП –УФ, видимаяи ближняя ИК.

Фотокатоды:Ag-O-Cs- 0,3 – 1 мкм

S-20 – 0,3 –0,75 (K –Sb – Na – Cs)

GaAs – 0,3 – 0,95.

Кчислу ФЭП относятсятакже:

Фотосопротивления,фотодиоды,полупроводниковыйФЭП, работакоторого связанас т.н. фотопроводимостью(фотодиодыкремниевые– 0,5 – 1,1 мкм, германиевые0,8 – 1,8 мкм).
Фотографическиеслои.
Люминесцентныеприемники(фосфоры).
Приемникииндуцированногоизлучения.

Тепловыеприемникиизлучения

-Болометры(полупроводниковые,металлические)– наблюдаемыйсигнал формируетсяза счет измененияэлектропроводимостиматериала вфункции еготемпературы.Болометры -инерционныедетекторы;10^-3с,подключаютсяпо мостовойсхеме.

Пироэлектрики.Чувствительныйэлемент этихприемников– кристаллическаяпластина, наповерхностикоторых поддействиемнагрева образуютсяэлектрическиезаряды.

-Термоэлементы– приемникиизлучения, вкоторых ЭДСвозникает засчет термоэлектрическогоэффекта. Какправило-этобатарея последовательносоединенныхтермопар.

-Пневматическиеприемникиизлучения.Принциппостроениядемонстрируетрис.33. Здесьпоказаны: приемнаяплощадка, нагреваемаяизлучениемФ через окно2 и нагревающаяв свою очередьобъем воздухаV₁,М –мембрана,отделяющаяобъем V₂от объемаV₁,объемы V₁,V₂связаны каналомК. При измененииуровня потокаФ газ в объемеV₁расширяется,изменениедавления приводитк деформациимембраны М.Уровень сигналаможно измеритьпо изменениюемкости конденсатора,одной из пластинкоторого и естьмембрана М (этотак называемыйприемник Iсорта), или поинтерференционнойкартине

(приемник Голея).

Обобщенныехарактеристикиизвестных типовфотоприемниковпредставленына рис.33

Промышленныеобразцы приемников

Сернистыйсвинец (PbS).Первый массовыйприемник.Представляетсобой фотосопротивление,изготовленноеиз монокристаллаPbS (1б,…3 мкм)(Сопротивление–Мом, областьчастот до 10 кГц,_max~ 2,6 мкм).

Охлаждаемыеприемники PbS(77 К -_гр4 мкм.Д~10¹¹410¹²).

PbSе.Подобен предыдущему,но ещё в большейстепени одинобразец отличаетсяот другого

(_гр5; (77 К). _гр7 мкм,Д~10¹⁰)

PbТе.Работает толькос охлаждением( ~77 К ), _гр5,4 мкм.
InSb(_гр~6мкм. Низкоомный,требует согласующеготрансформатора,Д~10¹¹)
Германий,легированныйзолотом (медью,кадмием) - _max– 5-10 мкм и до40-100 мкм сдвигаетсяпри глубокомохлаждении,Д~10¹⁰- 10¹¹.
Термоэлементы(пороговаячувствительность– 3-5 10^-9 вт^-1 приполосе 1 Гц).
ПриемникГолея (- 230 мсек;Д~210⁹)
Кремний,легированныйбором, висмутом,Al, P, сурьмойи т.д. (_max~ 30 мкм Ддо10¹³, обязательноохлаждаемые).
КРТ– приемники(кадмий – ртуть– теллур), 70-140 К,Ддо10¹³.
Матричныеприемники -ФП конца ХХ иХХI века.

Перспективыразвития оптическихдетекторов

Увеличениечувствительности.
Уменьшениеразмеров исозданиемногоэлементныхприемников.
Увеличениесрока службы.
Снижениестоимости и,безусловно,создание матричныхприборов счислом чувствительныхэлементовсотни и тысячи.

Спектральныехарактеристикитепловых приемниковбез окна.

1-пироэлектрическийприемник изтриглицинсульфата(ТГС); 2- термисторныйболометр.

Спектральныехарактеристикиприемниковразных типов

1-идеальныйприемник ср-n-переходом;2-идеальныйфоторезистор;3 –идеальныйтепловой приемник;4 – пироэлектрическийприемник; 5–термисторныйболометр; 6 –термоэлемент;ФД- фотодиод;ФР –фоторезистор.

Фотоприемникис переносомзаряда (ПЗС)

Принципдействия одногоиз важнейшихтипов приборовэтого класса,приборов сзарядовойсвязью (ПЗС)основан наиспользованииструктурыметалл – диэлектрик– полупроводник(МДП) в виде линейкиили матрицыфоточувствительныхэлементов,каждый из которых являетсяконденсатором.Если податьна металл импульснапряжениятакого знака,чтобы основныеносители зарядав п/п быливытолкнутыот поверхностис образованиемслоя объемногозаряда, то длянеосновныхносителей,образуетсяпотенциальнаяяма. Излучение,падающее наконденсатор,будет генерироватьпары из основногои неосновногоносителейзаряда. Основныебудут выталкиватьсяиз ямы, а неосновные– накапливатьсяв ней. Пакетнакопленныхзарядов несетоптическуюинформацию,которую можнопередать повсей линейке(матрице) отосновногоэлемента кэлементу, подаваяна них последовательностьимпульсовнапряжения.Вывод всехзарядов, содержащихсяв линейке,осуществляетсяединым выходнымэлектродом.Устройствоведет себя какмногоэлементныйприемник, связанныйс системоймультиплексированияи считыванияинформациив форме видеосигнала.

ТрехфазныйПЗС

В этомтипе ПЗС управляющиенапряжения,поступающиеот трех генераторов,сдвинуты натреть периода.ПЗС состоитиз полупроводника(например, кремния,n-типа) покрытогослоем изолятора,на которыйнанесена пленкаметалла – алюминия(рис.33) – электроды.Эти электродыприсоединеныгруппами потри к трем фазам₁,₂,₃,выдающим управляющиенапряжения-команды.

Перенос зарядапроисходитпод действиемнапряженияV₁и V₂,третье напряжениеV₀определяетнаправлениепереноса и недает зарядамдвигаться вобратном направлении.Падающее излучениеиндуцируетв полупроводникеположительныеэлектрическиезаряды. Этизаряды задерживаютсявблизи электрода,потенциалкоторого V₂более отрицательный,чем V₀двухсоседних электродов (момент времениt₁)(рис.34).

Далее, в моментвремени t₂электрод,к которомуосуществляетсяперенос, приобретаетпотенциал V₂,между тем какпотенциал V₁такой, что V₀> V₁>V₂это приводитк перемещениюзаряда к электродус более отрицательнымпотенциаломV₂.Заряды задерживаютсятеперь околоэтого новогоэлектрода, вто время какдва соседних– имеют потенциалV₀(момент t₃).Затем циклыпоследовательноповторяются.Заряды, продвигающиесят.о. вперед, доходятдо последнегоэлектрода ипопадают ввыходной диод,где видеосигналпринимаетсяи усиливается.

Рис.33 Схема действиятрехфазногоПЗС

V₀

V₁

V₂

V₀

V₁

V₂

V₀

V₁

V₂

t₁ t₂ t₃ t₄ t₅ t₆

Рис.34

ДвухфазныйПЗС

Чтобы упроститьмеханизм управления,можно обеспечитьпреимущественноенаправлениедвижения зарядовнесимметричнойконфигурациейемкостныхэлектродов(например, сделатьтолщину диэлектрикапеременной,что сформируетв п/п двапотенциальныхуровня, соответствующиходному данномупотенциалуэлектрода)(рис.35).

Эффективностьпереноса зарядана практикепо различнымпричинам (особенноиз-за существованияуровня захватана границекремний-окиськремния) уменьшается– часть зарядовтеряется прикаждом переносе.Обычно эффективность90% на тысячупереносов.Разрабатываютметоды, облегчающиедиффузию зарядовв кремние.ПЗС регистрпозволяетвыделять сигналыс различныхчувствительныхэлементовлинейки приемников.Эта операцияпротекает втри этапа(см.рис.37).

этапнакопления,во время которогоизлучениесоздает электрическийсигнал вфоточувствительныхэлементах;
параллельныйперенос сигналас каждого элементав ПЗС;
переноссигнала вдольПЗС.

Рис.35. Схемадействия двухфазногоПЗС

₁

> t

₂ > t

-V

время

t₁

Рис.36. ДиаграмманапряженийS₁,S₂ к рис. 35

Изображениес помощью матрицыПЗС можно получитьдвумя способами.

Впервом случае(рис.38 а) облучаемаяматрица ПЗСсчитываетсяпутем переносаиндуцированныхзарядов вдолькаждой строкик выходномурегистру,представляющемустолбец элементовПЗС, используемыхв мультиплексномрежиме. Зарядыкаждого столбцаодновременнопередаютсясоседнемустолбцу. В результатекаждого такогошага выходнойрегистр заполняетсяновой информацией,которая тутже считываетсяи передаетсявидеоусилителю.Рабочая частотаустройстваочень высока,посколькутребуется оченьбольшая скоростьпереноса.

Вовтором случаеинформацияс элементовоблученнойматрицы передаетсяв матрицу памяти,имеющую ту жеструктуру изатем мультиплексируетсявыходнымПЗС-регистром.Этот методпозволяетсогласоватьвремя накоплениясигнала отизлучения втечениие одногокадра, времяочень быстройпередачи информациив матрицу памятии время считывания.Таким образомрабочая частотаоказываетсясущественносниженной(рис.38 б).

Приборыс инжекциейзаряда (ПЗИ)(рис.39, 40)

ПЗИ работаютаналогичноПЗС с той лишьразницей, чтов случае ПЗИвозникает токв подложкеблагодаряинжекции зарядов,составляющихвидеосигнал.Этот ток пропорционаленчислу принятыхфотонов.

Мозаичныеструктуры ПЗИсостоят изнабора элементарныхячеек – двапрозрачныхэлектродананесены наподложку п-типаи разделеныполученнойдиффузиейобластью р-типа.

Рис.37. ИК-ПЗС-фотоприемник

Приемникизлучения
Ключипереноса
ПЗС
Выходнойдиод
Виделсигнал
Электродуправленияключами
ЭлектродыуправленияПЗС

Рис.38 МатричныйПЗС – фотоприемник

Фоточувствительнаяструктура
Выходнойрегистр
ПУвидео
Видеосигнал
Управляющийгенераторстрочной развертки
Управляющийгенераторкадровой развертки

Рис.39

Рис.40. Топологиямозаики ПЗУ

1.Фоточувствительнаяструктура

2.Строчныйсдвиговыйрегистр

3.Кадровыйсдвиговыйрегистр

4.Элемент,с которогопроисходитсчитывание

Системыохлажденияприемниковизлучения

Чтобы повыситьобнаружительнуюспособностьИК ФП нужно“заглушить”собственноеизлучениечувствительногоэлемента ипримыкающихк нему элементов(подводящихэлектродов,диафрагму полязрения) Этодостигаетсяохлаждениемприемника дотемператур,при которыхшум собственногоизлучениястановитсяпренебрежимомалым.

Кроме тогоохлаждениеочень маленькихчувствительныхэлементов смалой теплоемкостьюпозволяетпредотвратитьчрезвычайныйих нагрев поддействиеминтенсивного и продолжительногооблучения,наконец охлаждениепримениковуменьшает шумот тепловоговозбужденияносителейзаряда внутричувствительногоэлемента, т.е.повышаетобнаружительнуюспособность.

В настоящеевремя существуеттри способаохлаждения:

сжиженнымигазами;
криогеннымимашинами;
засчет эффектаДжоуля – Томсона;
засчет термоэлектрическогоэффекта.

Охлаждениесжиженнымигазами

Обычнаяконструкция

сосудДьюара (рис.41).

Хладоагенты:

жидкийазот (77 К)
жидкийгелий (4,2 К)
жидкийводород (20,3 К)

СосудыДьюара обеспечиваютодной заливкой3-4 ч. работы приемника.

Охлаждениеза счет эффектаДжоуля – Томсона

Этот методохлажденияоснован наэффекте понижениятемпературыпри быстромдросселированиигаза под высокимдавлением(20-40 Мпа). Получаемыйперепад Т невелик,поэтому необходимтеплообменник,использующийполученныйхолод для понижениятемпературыгаза переддросселированием.

Выпущенныйохлажденныйгаз, поднимаяськ выходу изсосуда Дьюара,отбирает тепло(рис.42) от спирали,охватывающейтрубку с газомвысокого давленияи охлаждаетеё. Через насколькоминут вблизичувствительногоэлемента приемникаобразуетсянесколькокапель жидкогоазота.

Криогенныемашины

Это машиныс замкнутымциклом длянепрерывнойвыработкихолода механическимпутем за счетрасширенияпредварительносжатого газа.Машины работаютна основе различныхтермодинамическихциклов.

Рис.41.СосудыДьюара (стеклянныйи металлический)

Цикл Стерлинга

Это замкнутыйцикл, основанныйна процессерегенерациипри постоянномобъеме; фазысжатия и расширенияизотермические.

Цикл имеетчетыре фазы:

сжатие при постояннойтемпературеТ, в камере А(рис.43);
переходгаза черезрегенератор(здесь газ охладитсядо температурыТ₂) в камеруВ;
расширениегаза в камереВ при Т₂ споглощениемтепла из окружающейсреды;
возвратгаза в камеруА.

Вытесняемыйпоршнем камерыВ при прохождениичерез регенераторгаз отбираеттепло. Поглощениетепла от окружающейсреды происходитблагодарятепловомуконтакту сметаллическимстержнем, находящемсяв сосуде Дьюара.Особенностьмашины данногоцикла – малыегабариты ималое потреблениемощности.

Цикл ДжифордаМак – Магона

Фазы циклаэтой машиныоснованы натех же принципахсжатия и расширения,что и в циклеСтерлинга.

Поршеньнаходится внижней частицилиндра, впускнойклапан V₁,открыт, давлениев регенераторерезко поднимается(рис.44)
Впускнойклапан V₁закрыт, и поршеньперемещаетсяв верхнюю частьцилиндра(расширение-генерацияхолода).
Выпускнойклапан V₂открыт, поршеньперемешаетсяв нижнюю частьцилиндра, газотбирает теплов регенератореи понижает еготемпературу.
Следующийцикл такой же,но газ предварительноохлаждается,проходя черезрегенератор.

Следуетупомянуть имашины с разомкнутымциклом, которыевключают фильтр,компрессор,осушитель итеплообменникс использованиемэффекта Джоуля–Томпсона. Этиустройствапо существузаменяют всистемах раздела14.2 баллон со сжатымвоздухом накомпрессор,выигрывая вгабаритах инадежности.

Рис.42.Холодильникс использованиемэффекта Джоуля-Томсона

1-баллон сазотом поддавление, 2-фильтрдля очисткигаза,

3-теплообменникс использованиемэффект Джоуля-Томсона,

4- сосуд Дьюара,5,6 -спиральнаяобмотка дляулучшениятеплообмена,

7- дросселирующееотверстие, 8-охлажденныйгаз

Рис.43.Цикл Стирлинга.

1-регенератор;2-отвод тепла,3- подвод тепла

Рис.44.Цикл Джиффорда– Мак-Магона

1-регенератор;2-компрессор

Термоэлектрическоеохлаждение

Пр-к2

Пр-кI

Термоэлектрическийэффект Пелтьесостоит в поглощенииили выделениитепла на спаедвух различныхметаллов илиполупроводников,когда по этимпроводникампротекаетэлектрическийток . Если Е₁и Е₂ термоэдспервого и второгоспаев, то количествотепла, получаемогона спае притемпературеТ(К) выражаетсяформулой :Q=(Е₁- Е₂)xTxI.

Одинкаскад конструкциина основе Bi₂Te₃позволяетполучить температуру

(-30)С,два каскада(-75 ), шесть (-100)

Сканирующиесистемы

Для преобразованиямногомерногооптическогосигнала в одномерныйэлектрический,содержащийадекватнуюинформациюо распределениипараметровоптическогосигнала, в ОЭПиспользуетсясканирование– процесспоследовательной,непрерывнойили дискретной,выборки значенийоптическогосигнала. Наиболеечасто в ОЭПвыполняетсяпреобразованиепространственного распределенияпотока излученияв видеосигнал.Поэтому процесссканированияв этом случаеесть последовательныйпросмотр сравнительнобольшого поляобзора малыммгновеннымполем.

Важной функциейсканированияявляется повышениепомехозащищенностиОЭП. Действительно,применениемалого мгновенногополя зренияпри обзоребольшогопространства,содержащегомалоразмерныйобъект на фонепомех, безусловноболее предпочтительно,чем выполнениетой же операцииприбором сбольшим полемзрения.

Сканирующиесистемы могутбыть классифицированыразличнымобразом:

поспособу разложенияполя обзора(одноэлементное,параллельное,последовательное,комбинирование).
пофизическойсущности явлений,лежащих в основеработы сканирующейсистемы (механические,оптико-механические,фотоэлектронные,ультразвуковыеи т.д.)
попространственномупризнаку(одномерные,двумерные).

При одноэлементномсканированиималое мгновенноеполе зренияможет бытьпросмотрено, как показанониже на рисунке,по самым различнымтраекториям.

Припараллельномсканированиивсе полеOYLX просматриваетсяодновременнопо горизонтальнымстрокам, например,путем перемещениялинейки ФП ,ориентированнойперпендикулярнонаправлениюсканирования.

Припоследовательномсканированиилинейка ФПориентированапараллельнонаправлениюсканированиякаждую точкупространствапросматриваютвсе элементы.Сигналы от нихпоступают налинию задержкии в сумматор.В этом случаевозможно нетолько осреднениесигнала, но иполучениебольшого разрешенияв (n)раз при усложненииэлектроннойсхемы и повышениистоимости ОЭП,которые могутбыть несопоставимыс достижимымпреимуществом.

Припараллельно-последовательномсканированиипросмотр полязрения обеспечиваетсяматрицей.

Траекториисканированияпри регулярномпоиске

В оптико-электронныхприборах используютсяразличныетраекториисканирования.Вид конкретнойтраекторииопределяетпрежде всегоформу контролируемойобласти поляобзора (формурастра).

Круглая формаполя образуетсяосесимметричнымитраекториями,которые создаютсяза счет двухсоставляющихсканирования.Одной из нихявляется вращательноедвижение спостояннойскоростью,второй – каквращательные,так и колебательныедвижения.

Прямоугольнаяформа полясоздается двумяколебательнымиперемещениями,хотя в некоторыхслучаях используютсясочетаниявращательногои поступательногодвижения.

Осесимметрическиетраекториисканированиямогут бытьразделены наряд классовв зависимостиот типа слагающихдвижений исоотношениямежду их скоростями.При этом различаютспиральнуюи розеточнуютраекториисканирования.

Траекториисканированияпри колебательно-вращательномдвижении сканирующегополя.

Архимедоваспираль образуется,когда за времяодного колебаниявдоль некоторойоси ОУ последняясовершаетнесколькооборотов вокругнеподвижнойточки О (рис.45).



а-шаг спирали.

Рис.45

Для осмотраполя обзорабез (2r) пропусковразмер мгновенногополя зрениядолжен бытьравен (а).

Если приколебательно-вращательномдвижении сканирующегополя за времяодного оборотасовершаетсянесколькоколебаний, тосоздаетсярозеточнаятраектория(рис.46, 47,48)





y y



0 T/2 T 2T

Рис.46.

Розеточнаятраекторияхарактеризуетсячислом лепестковN, котороеопределяетсяугловой скоростьювращения ,линейной скоростьюи амплитудоколебанияr

где

Взависимостиот соотношениямежду r, радиусомполя обзораR, а такженаправленияи начала сканирующегоколебанияизменяетсяхарактер заполненияполя линиямисканированияизменяется.

Траекториисканированияпри вращательно-вращательномдвижениидостаточнонаглядно представленына рис. 49-51.

Траекториисканированиипри колебательныхперемещениях.

Колебательныеперемещениясканирующегополя в двухвзаимно перпендикулярныхнаправленияхпозволяютосуществитьтак называемуюпострочнуюи прогрессивнуютраекториюсканирования.В этом случаев процессеразверткисканирующееполе (СП) перемещаетсяслева направои одновременносмещается наширину строкивниз. Пройдяодну строку,СП быстроперемещаетсявлево и затемпроцесс повторяетсядо заполнениякадра –поляобзора. Дляполученияравномерногодвижения СПвдоль строкиили кадра перемещенияего в исходноеположениенеобходимообеспечитьпилообразныйзакон движения(рис.52). В заключенииприведём рис.53,который иллюстрируетнекоторыеспециальныетраекториисканирования.

Типысканирующихустройств

Обычно различаютОЭП с фотоэлектроннымсканированием,сканированиеэлектроннымлучом, сканированиесветовым лучом,оптико-механическоесканирование.

Сканированиеэлектроннымлучом (СЭЛ)

СЭЛ осуществляетсяв телевизионныхпередающихтрубках (иконоскоп,супериконоскоп,ортикон, диссектор,видикон и др.).

Большинствосовременныхпередающихтрубок являютсяфотоэлектрическимиприемникамиизлучения свнешнимфотоэффектом,обладающимдостаточнойчувствительностьюв области длинволн до ~1,2мкм.

В ряде случаевв качествефотокатодав трубкахиспользуютсяфоторезистор,т.е.явлениевнутреннегофотоэффекта,что сдвигаетобласть чувствительностидо 2-2,5 мкм.

Рис.47. Розеточнаятраекториясканированияпри колебательно-вращательномдвижении сканирующегополя

Рис.48.Траекториясканированияпри колебательно-вращательномдвижении сканирующегополя для rа- спиральная,б- розеточная

Рис.49 Спиральнаяа) и розеточнаяб) траекториисканированияпри

вращательно-вращательномдвижении сканирующегополя при 2r=R

Рис.50 Спиральнаятраекториядля случая 2r

Рис. 51. Розеточнаятраекториядля случая 2r

О l X

а)

Т Т Т

б)

t_прt_обр.

Рис. 52. Построчнаяили прогрессивнаятраекториясканирования

Рис.53. Некоторыеспециальныетраеториисканирования:а- гусеница: б– следящаяразвертка

Наибольшеераспространениев автоматическихОЭП получилидиссектор ивидикон, соответственносистемы мгновенногодействия снакоплением.

В системахмгновенногодействия энергияизлучениякаждой точкиобозреваемогополя преобразуетсяв сигнал тольков течение временипрохождениячерез неёсканирующеголуча. Этовремя существенноменьше времениобзора всегополя, т.е. здесьне используетсявозможностьнакопленияэнергии.

В системахc накоплениемосуществляетсясуммированиеэнергии излучаемойданной точкойполя в течениивсего времениобзора, чтопозволяетповысить ихчувствительностьпо сравнениюс системамимгновенногодействия.

Пояснитьработы системыс накоплениемудобно на примереустройстваиконоскопа.

Фотокатодтелевизионнойтрубки (мишень)можно представитьв виде большогоколичестваотдельных,изолированныхдруг от другафотоэлементов,соединенныхпоследовательнос источникомэ.д.с. [(см.рис. 54), R–сопротивлениенагрузки, С –распределеннаяемкость фотокатода].

Под действиемизлучения однойиз точек iполя обзорапроисходитзаряд конденсатораС_i фототокомI₃ втечение времениработы ключаК- времениэкспозиции.

Системы снакоплениемотносительносложны в эксплуатации,требуют стабилизацииисточниковпитания и боятсясильных засветок.В связи с этим,несмотря наменьшую чувствительность,в ОЭП широкоиспользуютсядиссекторы.

Диссектор

Его принципдействия заключаетсявследующем.Полупрозрачныйфотокатод(рис.55), на которомпроектируетсяизображениесветящегосяобъекта, испускаетвнутрь трубкифотоэлектроныв количестве,пропорциональномего освещенности.Образовавшеесяэлектронноеизображениепереноситсяс фотокатодак электронномуумножителюс помощьюэлектрическогои магнитногополя.

Для получениясигналов отвсех элементовизображенияпроизводитсяразвертка спомощью магнитнойсистемы (5)/4- ускоряющееполе/.

Диссекторывыпускаютсяс различнымитипами фотокатодов,обеспечивающихчувствительностьот УФ до ближнейИК области длинволн.

Видикон(рис.56)

На полупрозрачнуюсигнальнуюпластину(металлическую)1 нанесен слойполупроводника2. Фотоизображениесчитываетсяэлектроннымлучом. Нормальноепадение последнегообеспечиваетсясеткой вблизисигнальнойпластины. Электронныйлуч, перемещаясьпо мишени, оставляетна ней электроны,приводя потенциалучастка полупроводникак потенциалукатода. Чемменьше освещенностьучастка мишени,тем большесопротивлениеполупроводника,тем меньше,следовательно,необходимоэлектроновдля компенсацииизменениязаряда, т.е.считываниярельефа изображения.

Рис.54.Схемы передающейтелевизионнойтрубки с накоплением:

а - принципиальная:б – эквивалентная

Рис.55.Диссектор

Рис.56.Видикон

Сканированиесветовым лучом

По принципудействия ксистемам сэлектроннымсканированиемблизки устройствасо сканированиемсветовым лучом.Пример такогоустройства–термоэлектронныйпреобразовательизображения– термикон(рис.57)

Приемнаяповерхностьтермиконасостоит, в томчисле, из оченьтонкой ИКчувствительнойпленки. С обратнойстороны последнейнаноситсяспециальныйфотоэлектрическийслой, эффективностькоторого зависитот температуры.На фотослойпроецируетсяизображениеяркого светящегосяпятна, движущегосяпо экрануэлектронно-лучевойтрубки по заданномузакону. В зависимостиот положениясветящегосяпятна на фотослоеи распределениятемпературына поверхностиП количествоэмитируемыхэлектронови фототок вцепи кольцевогоколлектораизменяетсяна 2-3% на каждыйградус изменениятемпературы.Изменениефототока усиливаетсяи управляетэлектроннолучеваятрубка И2.

Областьприменения(расширяющаяся)– в МДП структурах.Максимальноеразрешениеблизко 50 линийна кадр при 1.

Оптико-механическоесканирование.

В оптико –механическихсканирующихустройствахпроцесс сканированияосуществляетсяза счет изменениянаправленияоптическойоси ОЭс. Приэтом общее полеобзора последовательноанализируетсямгновеннымполем зренияоптическойсистемы. Общаяклассификациятаких устройствприведена нарис.58.

Сканированиеможет производитсяза счет движениявсей оптическойсистемы прибораили её элементов– зеркал, призм,клиньев, линз,диафрагм.Оптико-механическиесистемы, в которыхсканированиеосуществляетсядиафрагмой(щелью) , движущейсяв фокальнойплоскостииногда называютэкранирующими.Широко известныйпример – дискНипкова. Своеобразныеметоды сканированияиспользуютсяв системах сволоконнойоптикой. Сканированиеможет осуществлятьсятакже путемизменениякоэффициентапреломленияили другихоптическихсвойств материалов,входящих всистему. Сканированиедвижения всейсистемы осуществляетсяв тех случаях,когда возможноиспользоватьперемещениеплатформы, накоторой размещаетсяОЭС. Для обзораболее широкойполосы на местностив таких системахчасто используетсясканированиепо строке. (рис.59).

Сканированиезеркалами:различаютсканированиев пространствепредметов(зеркало размещаетсяперед объективом,рис.60) и сканированиев пространствеизображений(используетсяширокоугольныйобъектив,обеспечивающийвысокое качествоизображенияпо всему полюобзора, зеркалоза ним, рис. 61).

Наряду спростым зеркаломв сканирующейсистеме можетиспользоватьсясистема зеркал,зеркальныепризмы, пирамидыи т.д. (рис.62-64). Вкачествеисполнительныхмеханизмовприменяютсяшаговые двигатели,кулачковыемеханизмы ит.д.

Рис.57. Принципиальнаясхема термикона.

СКАНИРОВАНИЕВ ПРОСТРАНСТВЕПРДМЕТОВ

ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕСКАНИРУЮЩИЕУСТРОЙСТВА

СКАНИРОВАНИЕВ ПРОСТРАНСТВЕИЗОБРАЖЕНИЙ

СКАНИРОВАНИЕЗА СЧЕТ ДВИЖЕНИЯВСЕЙ ОПТИЧЕСКОЙСИСТЕМЫ

СКАНИРОВАНИЕПОДВИЖНЫМИЭЛЕМЕНТАМИОПТИЧЕСКОЙСИСТЕМЫ

СКАНИРОВАНИЕЩЕЛЬЮ, ДВИЖУЩЕЙСЯВ ПЛОСКОСТИИЗОБРАЖЕНИЯ

СКАНИРОВАНИЕЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯОПТИЧЕСКИХСВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ,ВХОДЯЩИХ ВСИСТЕМУ

СКАНИРОВАНИЕВ СИСТЕМАХ СВОЛОКОННОЙОПТИКОЙ

Рис. 58. Классификацияоптико-механических

сканирующихустройств

Рис. 59. Однострочноесканированиес движущейсяплатформы.

Рис. 60.Сканированиев пространствепредметов:

сканирующеезеркало; 2 –объектив;3 –диафрагма;

4 – конденсор;5 – приемникизлучения;6 –мгновенное

поле зрения;7 – поле обзора

Рис. 61. Сканированиев пространствеизображений:

сканирующеезеркало; 2 –объектив;3 –диафрагма;

4 – конденсор;5 – приемникизлучения;6 –мгновенное

поле зрения;7 – поле обзора

ЭффективностьОЭП, предназначенныхдля обзорапространствас неподвижногоносителя можетбыть существенноповышена засчет применениячерезстрочнойразверткисканирующеголуча (рис.65) линейкимногоэлементногоприемника.Достигаемыйрезультат –уменьшениечисла элементовприемника иуменьшениеполосы частоткоммутационно-усилительноготракта, причемэто уменьшениеравно m раз,где m = N(числу гранейпризмы). Недостаток– возможностьпропуска цели,именно поэтомуОЭС (платформа)должна бытьнеподвижна.

Сканированиеотверсием внепрозрачномэкране - наиболеепростой способсканирования.Классическийпример дискНипкова. Примерэтих устройствпоказан нарис. 66,67. Отверстиев диске Д (рис.66)расположенотаким образом,что изображение,ограниченноедиафрагмойДП последовательноанализируетсяпо строкамтак, что когдаодно отверстиевыходит запределы окнадиафрагмы ДП,другое выходитпрочерчиваяследующуюстроку. Однаиз последнихконструкцийс указанныммеханизмомсканирования– тепловизор“Янтарь”(70-е годы , полеобзора 5х4,мгновенноеполе зрения5, частотакадров 25 Гц),которым удалосьубеспечитьминимальнообнаруживаемуюразность температур=0,2 –0,3С.

Зенитныйтеплопеленгатор- одна из такихразработок(её исллюстрируетрис. 67) простапо конструкциии эффективна.Зеркало (D~1500мм, f~640 мм)создает изображениеточечной целив плоскостинепрозрачнойдиафрагмы свырезом , вращаемойдвигателемМ₂ (М₁ – модулятор).Сигнал запитываетнеоновую лампочкуЛ, которая вращаетсяс частотойдиафрагмы М₂в пределахокружности,удобной длявосприятияоператором.Легко видеть,что при условииточной ориентацииприемногозеркала нацель, лампочкаочерчиваетполный круги вспыхиваетв определенномсекторенакраткие моментывремени припрочих условиях

Сканированиепутем управленияоптическимисвойствамиэлементов,входящих всистему.Управлениеосуществляетсямагнитным илиэлектрическимполем. Известно,например, чтотакие материалы,как нитробензол,кварц, некоторыекристаллыизменяют показательпреломленияn при воздействииэлектрическогополя. Для сканированияможно использоватьсистему фильтровкак на рис.68,выполненныхиз чередующихсяслоев некоторыхматериалов,например, сульфидацинка и креолита.Такие фильтрыпропускаюттолько монохроматическоеизлучение,длина волны которыхв четыре разабольше толщиныl фильтра.Если изготовитьфильтр в видеклина и направитьна него монохроматическоеизлучение, топоследнеепройдет тольков той части,где толщинасоответствуетчетверти длиныволны (приусловииn=/4).Введя второйфильтр, развернутыйна 90,обеспечимвозможностьпрохождениятолько тойчасти излучения,которая соответствуетучасткам фильтровс толщиной1/4.Подводя к фильтрамнапряжение,можно перемещатьлинии равнойтолщины и т.о.обеспечитьсканированиеизображения.

(На рис.68 –ГКР – генераторкадровой истрочной разверток;КФГ, КФВ – клиновыефильтры горизонтальнойи вертикальнойразвертки).

Рис.62. Типысканирующихзеркал: а - вращающеесядвустороннее(двугранное)зеркало; б –зеркало, вращающеесявокруг оси,неперпендикулярнойк нему; в – «крест»из зерал 1 и 2; г– зеркало, качающеесяв двух плоскостях;д – система издвух вращающихсязеркал; е – двазеркала, вращающихсяили качающихсявокруг взаимноперпендикулярныхосей; ж – вращающаясязеркальнаяN – граннаяпризма; з –вращающаясязеркальнаяN – граннаяпирамида.

Рис.63.Сканирующеезеркало в видемногограннойпризмы:

Об – объектив;Пр –приемникиз М элементов;

З – зеркалос N гранями;НП – направлениеполета

Рис.64. Основные принципысканированияплоскопараллельнойпластинкой(призмой): а –ход лучей; б –призма , эквивалентнаяпластинкетолщиной ;в – поле обзораи поворот пластинкипри неподвижномприемнике(диафрагмеполя).

Рис.65. Схема сканированияи расположениячувствительныхслоев

многоэлементногоприемника при чересстрочнойразвертке.

Рис.66.Система механичесого телевиденияс диском Нипкова:

а – приемникизлучениябольшой площади;

б– небольшойприемник иконденсор;

в –сканирующийдиск

Рис.67. Сканированиещелью в зенитномтеплопеленгаторе

Рис.68. Сканирующееустройствос клинообразнымифильтрами.

Термоэлектрическоеохлаждение

Пр-к2

Пр-кI

Одинкаскад конструкциина основе Bi₂Te₃позволяетполучить температуру

(-30)С,два каскада(-75 ), шесть (-100)

Сканирующиесистемы

Сканирующиесистемы могутбыть классифицированыразличнымобразом:

поспособу разложенияполя обзора(одноэлементное,параллельное,последовательное,комбинирование).
пофизическойсущности явлений,лежащих в основеработы сканирующейсистемы (механические,оптико-механические,фотоэлектронные,ультразвуковыеи т.д.)
попространственномупризнаку(одномерные,двумерные).

Припараллельно-последовательномсканированиипросмотр полязрения обеспечиваетсяматрицей.

Траекториисканированияпри регулярномпоиске

Траекториисканированияпри колебательно-вращательномдвижении сканирующегополя.



а-шаг спирали.

Рис.45

Для осмотраполя обзорабез (2r) пропусковразмер мгновенногополя зрениядолжен бытьравен (а).





y y



0 T/2 T 2T

Рис.46.

где

Траекториисканированияпри вращательно-вращательномдвижениидостаточнонаглядно представленына рис. 49-51.

Траекториисканированиипри колебательныхперемещениях.

Типысканирующихустройств

Сканированиеэлектроннымлучом (СЭЛ)

Рис.47. Розеточнаятраекториясканированияпри колебательно-вращательномдвижении сканирующегополя

Рис.49 Спиральнаяа) и розеточнаяб) траекториисканированияпри

вращательно-вращательномдвижении сканирующегополя при 2r=R

Рис.50 Спиральнаятраекториядля случая 2r

Рис. 51. Розеточнаятраекториядля случая 2r

О l X

а)

Т Т Т

б)

t_прt_обр.

Рис. 52. Построчнаяили прогрессивнаятраекториясканирования

Рис.53. Некоторыеспециальныетраеториисканирования:а- гусеница: б– следящаяразвертка

Пояснитьработы системыс накоплениемудобно на примереустройстваиконоскопа.

Диссектор

Видикон(рис.56)

Рис.54.Схемы передающейтелевизионнойтрубки с накоплением:

а - принципиальная:б – эквивалентная

Рис.55.Диссектор

Рис.56.Видикон

Сканированиесветовым лучом

Оптико-механическоесканирование.

Сканированиезеркалами:различаютсканированиев пространствепредметов(зеркало размещаетсяперед объективом,рис.60) и сканированиев пространствеизображений(используетсяширокоугольныйобъектив,обеспечивающийвысокое качествоизображенияпо всему полюобзора, зеркалоза ним, рис. 61).

Рис.57. Принципиальнаясхема термикона.

СКАНИРОВАНИЕВ ПРОСТРАНСТВЕПРДМЕТОВ

ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕСКАНИРУЮЩИЕУСТРОЙСТВА

СКАНИРОВАНИЕВ ПРОСТРАНСТВЕИЗОБРАЖЕНИЙ

СКАНИРОВАНИЕЗА СЧЕТ ДВИЖЕНИЯВСЕЙ ОПТИЧЕСКОЙСИСТЕМЫ

СКАНИРОВАНИЕПОДВИЖНЫМИЭЛЕМЕНТАМИОПТИЧЕСКОЙСИСТЕМЫ

СКАНИРОВАНИЕЩЕЛЬЮ, ДВИЖУЩЕЙСЯВ ПЛОСКОСТИИЗОБРАЖЕНИЯ

СКАНИРОВАНИЕЗА СЧЕТ ИЗМЕНЕНИЯОПТИЧЕСКИХСВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ,ВХОДЯЩИХ ВСИСТЕМУ

СКАНИРОВАНИЕВ СИСТЕМАХ СВОЛОКОННОЙОПТИКОЙ

Рис. 58. Классификацияоптико-механических

сканирующихустройств

Рис. 59. Однострочноесканированиес движущейсяплатформы.

Рис. 60.Сканированиев пространствепредметов:

сканирующеезеркало; 2 –объектив;3 –диафрагма;

4 – конденсор;5 – приемникизлучения;6 –мгновенное

поле зрения;7 – поле обзора

Рис. 61. Сканированиев пространствеизображений:

сканирующеезеркало; 2 –объектив;3 –диафрагма;

4 – конденсор;5 – приемникизлучения;6 –мгновенное

поле зрения;7 – поле обзора

Сканированиеотверсием внепрозрачномэкране - наиболеепростой способсканирования.Классическийпример дискНипкова. Примерэтих устройствпоказан нарис. 66,67. Отверстиев диске Д (рис.66)расположенотаким образом,что изображение,ограниченноедиафрагмойДП последовательноанализируетсяпо строкамтак, что когдаодно отверстиевыходит запределы окнадиафрагмы ДП,другое выходитпрочерчиваяследующуюстроку. Однаиз последнихконструкцийс указанныммеханизмомсканирования– тепловизор“Янтарь”(70-е годы , полеобзора 5х4,мгновенноеполе зрения5, частотакадров 25 Гц),которым удалосьубеспечитьминимальнообнаруживаемуюразность температур=0,2 –0,3С.

Сканированиепутем управленияоптическимисвойствамиэлементов,входящих всистему.Управлениеосуществляетсямагнитным илиэлектрическимполем. Известно,например, чтотакие материалы,как нитробензол,кварц, некоторыекристаллыизменяют показательпреломленияn при воздействииэлектрическогополя. Для сканированияможно использоватьсистему фильтровкак на рис.68,выполненныхиз чередующихсяслоев некоторыхматериалов,например, сульфидацинка и креолита.Такие фильтрыпропускаюттолько монохроматическоеизлучение,длина волны которыхв четыре разабольше толщиныl фильтра.Если изготовитьфильтр в видеклина и направитьна него монохроматическоеизлучение, топоследнеепройдет тольков той части,где толщинасоответствуетчетверти длиныволны (приусловииn=/4).Введя второйфильтр, развернутыйна 90,обеспечимвозможностьпрохождениятолько тойчасти излучения,которая соответствуетучасткам фильтровс толщиной1/4.Подводя к фильтрамнапряжение,можно перемещатьлинии равнойтолщины и т.о.обеспечитьсканированиеизображения.

Рис.63.Сканирующеезеркало в видемногограннойпризмы:

Об – объектив;Пр –приемникиз М элементов;

З – зеркалос N гранями;НП – направлениеполета

Рис.65. Схема сканированияи расположениячувствительныхслоев

многоэлементногоприемника при чересстрочнойразвертке.

Рис.66.Система механичесого телевиденияс диском Нипкова:

а – приемникизлучениябольшой площади;

б– небольшойприемник иконденсор;

в –сканирующийдиск

Рис.67. Сканированиещелью в зенитномтеплопеленгаторе

Рис.68. Сканирующееустройствос клинообразнымифильтрами.

148

Анализаторыизображения- растроваямодуляция

Анализаторизображения– это устройство,служащее дляизвлеченияиз оптическогосигнала в видеизображениянаблюдаемогообъекта информациио параметрахили свойствахэтого объекта.

Обычно анализизображенияосуществляетсяпутем непрерывнойили дискретнойвыборки значенийсигнала в отдельныхточках плоскостиизображений.Сканированиеосуществляетсяс помощью специальныхустройств –растровыханализаторов.

Классификацияи принцип действиярастровыханализаторов(Р.А.).

РА можноклассифицироватьпо относительному расположению оси вращения растра и оптическойоси объектива,по характерузависимости,амплитуды,частоты, фазыили другихпараметровмодуляции илиугла визированияисточникаизлучения, повиду модуляцииили параметраммодулированногосигнала.

Классификацияпо относительномурасположениюоси вращениярастра и оптическойоси объективаОЭП представленана рис.69. Поэтомупризнаку различаютрастры с концентрической(а), эксцентрической(б) и со скрещеннымиосями.

Ось вращенияконцентрическогорастра совпадаетс оптическойосью ОЭП. Такойрастр имеетнерабочую зонув центре, т.к.размеры деталейего рисункаи их линейнаяскорость околоцентра приближаютсяк нулю. Такойрастр устанавливаетсяво внутреннейобойме подшипника,возможно егонеподвижноезакрепление– если изображениеполя вращается– в этом случаеуменьшаетсянерабочая частьрастра в центре.В простейшемслучае растррасполагаетсявблизи приемника,как можно ближек плоскостиизображения(ПИ), но и приемникдолжен бытьмаксимальноприближенкПИ, эти дваконструктивныхрешения могутбыть несовместимы.Более тогоиз-за неоднородностичувствительностипо площадкеприемника вподобной конструкциипоявляютсядополнительныеи резкие изменениясигнала.

Ось вращенияэксцентрическогорастра параллельнаоптическойоси ОЭП. Вэтом случае“мертвая”зона у растраотсутствует.

Растровыйанализаторсо скрещивающимисяосями имеетось вращения расположеннуюпод некоторымуглом (обычно– прямым) к осиОЭП.

Различаютдва вида РА:

-с ограниченной(а) и неограниченной(б) зонами линейности

/Q – параметрмодуляции,- угол визирования, - уголполя зрения_л –угловой размерзоны линейности/.

КлассификацияРА по видумодулированногосигнала представленана рис. 70. Здесьразличают тритипа: с непрерывной,импульснойи смешанной модуляцией.

Растрыс непрерывноймодуляциейхарактеризуютсятем, что излучениецели проходитчерез них втечение времени,составляющего~50%. В этом случаеприемник освещаетсянепрерывнымпериодическимсигналом, амплитуда,частота и фазапервой гармоникикоторого зависитот угловыхкоординат цели.Различают амплитуднуючастотную,фазовую, АЧ,АФ и ЧФ непрерывнуюмодуляцию.

Растры симпульсноймодуляцией– излучениеот цели проходитчерез них наприемник втечение времени,короткого посравнению спериодом модуляции.Причем относительноеположениеимпульса отцели во временизависит от еёугловых координат.Импульснаямодуляция можетбыть амплитудной(АИМ), частотной(ЧИМ), фазовой(ФИМ), широтнойи модуляциейпо длительности,кодовой и смешаннойимпульсной.

Растры сосмешанноймодуляциейхарактеризуютсятем, что нарядус непрерывноймодуляциейпотока имеетместо периодическоеимпульсноеизменениепараметровмодулированногосигнала. Причемперемещениецели приводитк нарушениюзакона этогопериодическогоизмененияпараметров.

Амплитуднаямодуляция

Кодированиеинформациио положениицели в полезрения можнообеспечитьпоместив вфокальнуюплоскость РАв виде секторногодиска (рис.71).Затемненнаячасть РА обычноравна кружкурассеянияобъектива, каки ширина темныхи светлых секторовпо краям – здесьдостигается100% модуляциясигнала. Амплитудасигнала, вырабатываемаяФП, в даннойконструкциизависит нетолько от положенияизображенияцели на растрено и от величиныпотока излученияот цели. Избавитсяот этого можновведя АРУ идополнительнуюполную модуляциюпотока излучения.Структурнаясхема соответствующегоОЭП приведенана рис.72. Естественно,что секторныйдиск в однихслучаях обеспечиваетнеограниченнуюзону линейности,в других ограниченную(рис.73, 74). Следуетотметить, чтофактическипонятие: “линейности”условно.

Рис.69.Классификациярастровыханализаторовпо относительномурасположениюоси вращениярастра и оптическойоси объектива:а – концентрический,б – эксцентрический;в – со скрещивающимисяосями;Об – объектив;Р – растр; Пр–приемник;Д–двигатель.

Рис.70.Классификациярастровыханализаторовпо виду

модуляциии параметраммодулированногосигнала.

Рис.71.Концентрическийрастровыйанализатор– секторныйрастр,

обеспечивающийамплитуднуюмодуляцию:

а– идеальныйсекторный; б– секторныйс затемненнойцентральной

частью;в – секторный с полупрозрачнойцентральнойчастью.

Рис.72. Структурнаясхема приборас секторнымрастром и системойАРУ

Рис.73.Изображениеточечных целейна секторномрастре

Рис.74. Угловая характеристика6 ^и секторногорастра (см.рис.73

(ориентировочнаяформа кривойс акцентом наточки М=0)

Частотнаямодуляция

Зависимостьчастоты модулированногопотока излученияот угловыхкоординат цели,т.е кодированиеинформации,можно обеспечить,поместив вплоскостьизображения эксцентрическийРА в виде диска(рис.75), каждыйиз секторовкоторого имеетодинаковоечисло непрозрачныхи прозрачныхполос, причемцентральнаяполоса каждогосектора направленапо радиусу,остальные ейпараллельны.При вращениирастра потокизлучениямодулируетсяс частотой тембольшей, чемдальше от центранаходитсяизображениецели, т.к числомодулирующихполос возрастаетот центра кперифериидиска. Измерениекоординат целиможно осуществить,если применятьдве оптическиесистемы размещенныеотносительнорастра т.о., чтобыизображениеодной и той жецели были смещеныотносительнодруг друга на90.Таккак фактическив такой системеизменениечастоты происходитдискретно, тоточность измерениякоординатпропорциональна

,где F – фокусноерасстояние,y– величина,определяющаяступенчатыйхарактер изменениячастоты приперемещенииизображенияпо радиусурастра. Дляпреобразованиячастоты модуляциив амплитудуэлектрическогосигнала с цельюдекодированияприменяютсячастотныедетекторы(рис.76) – в простейшемслучае эторезонансныйконтур.ВеличинанапряженияU_выхснимаемогос контура зависитот частоты.Могут бытьиспользованыдва контура,резонансныечастоты которых₁, ₂разнесеныотносительносредней частоты.В этом случаев одном контурепри увеличении амплитуданапряжениявозрастает,в другом уменьшается,а разностьамплитуд определяетсязнаком и величинойотклонениячастоты.Вместо контуровможно использоватьсхему, состоящуюиз двух ветвей– с индуктивными емкостнымсопротивлением.

Фазоваямодуляция

Зависимостьфазы модуляциипотока излученияот угловыхкоординатточечногоисточника можнообеспечить,например, спомощью РА соскрещеннымиосями, выполненногов виде надетойна вращающийсябарабан тонкойпленки, прозрачность котройизменяетсяпо синусоидальномузакону:

где - пропускание,L - длинаокружностибарабана пленки,N – числополных измененийпрозрачности(рис.77).

Следовательно,если на поверхностиплёнки сформированоизображениецели, то потокизлучения,проходящийчерез неё ипадающий наприемник, атакже вырабатываемыйсигнал изменяютсяпо синусоидальномузакону, причемфаза сигналазависит отположенияизображенияцели на пленкерастра.

Рис. 75. Эксцентрическийрастровыйанализаторс частотноймодуляцией(восьмисекторный):

1-пределыполя зрения;2-изображениеисточникаизлучения (вцентре полязрения); 3- второеизображениеисточникаизлучения приналичии двухоптическихсистем ( в центреполя зрения)

Рис.76. Принципиальныесхемы и характеристикипростейшихчастотныхдетекторов:а-одиночныйрезонансныйконтур; б – дваконтура; в –схема с индуктивностьюи емкостью.

Рис.77.Растровыйанализаторсо скрещивающимисяосями,

обеспечивающийфазовую модуляцию:

а– разверткаленты анализатораи зависимостьеё коэффициентапропускания отположенияизображенияисточникаизлученияl: б – схемаиспользованияанализаторас фазовой модуляцией.

Длятого, чтобызафиксироватьначало отсчетафазы, используютсяразличныесинхроконтактыи генераторыопорных напряжений(ГОН), которыевырабатываютэлектрическиесигналы, моментпоявления илифаза которыхжестко связанас положениемпленки растраи не зависитот положенияизображенияисточникаизлучения(обведен нарис.77 пунктиром).

Для измеренияразности фазсигнала U_си опорногонапряжения,т.е. декодированияинформациио положениицели в полезрения, используютсяфазовые детекторы,которые дляфиксированногозначения фазыназываютсясинхроннымидетекторами.Принципдействия фазовогодетекторасостоит в том,что сигналпеременноготока, подлежащийвыпрямлениюпоступает нанагрузку черезсопротивление,величина которогос помощью опорногонапряженияизменяетсяво временисинхронно счатотой изменениясигнала. В простейшемслучае (рис.78).В качествепеременногосигнала можноприменитьконтакт, включенныйпоследовательнос нагрузкойи управляемыйот ГОН.

Амплитудно-частотнаямодуляция

Амплитудно-частотныйРА модулируетизлучение так,что изменениечастоты модулированногосигнала определяетзнак угларассогласования,а изменениеамплитудымодулированногосигнала определяетвеличину угларассогласования.Принцип работыподобных устройствпоясняют рис.79-82.

Импульсно-частотнаямодуляция

Импульсно-частотныйРА модулируетизлучение целитак, что изменениечастоты модулированногосигнала определяетзнак угларассогласования,а изменениедлительностимодуляциипотока излученияс той или инойчастотой определяетвеличину угларассогласования.

РА в данномслучае линияраздела серийполос различнойчастоты представляетсобой спиральАрхимеда (рис.83).

В заключениираздела нарис.84-89 представленыряд других РА,обеспечивающихкроме перечисленныхфункций амплитудно-фазовую,частотно-время-импульснуюи широтно-импульснуюмодуляции.

Рис.78. Принципиальнаясхема и временныеграфики

работыфазового детектора:

Рис.79.Амплитудно-частотныйрастровыйанализатор

сограниченнойзоной линейностиэксцентрическоготипа:

а– рисунок растра;б – принципиальнаясхема использования

растра;в-угловаяхарактеристика

Рис.66.Расположениеполей зренияна амплитудно-частотнойрастре с двумяоптическимисистемами

Рис.67. Расположение амплитудно-частотныхрастров в системес одним объективом

Рис.82. Амплитудно-частотныйрастр со скрещивающимисяосями

Рис.83.Импульсно-частотныйрастровыйанализаторс неограниченнойзоной линейности:

а– односекторный;б – двухсекторный;

А– нейтральнаяокружность– траекторияотносительногоперемещения

изображенияцели, находящейсяв центре поля

Рис.84. Многоступенчатыйрастр

дляамплитудно-частотноймодуляции

Рис.85. Импульсно-частотныйрастровыйанализаторв виде

вращающегосябарабана: а–односекторный;б- двухсекторный

Рис.86.Амплитудно-фазовыйрастровыйанализаторс неограниченнойзоной линейности:а – рисунокрастра; б –изменениепотока излучения,прошедшегочерез растрво времени; в– изменениекоэффициентапропусканиярастра вдольоси у

Рис.87.Амплитудно-фазовыйрастр со смещеннымцентром

Рис.86.Амплитудно-фазовыйрастровыйанализаторс неограниченнойзоной линейности:а – рисунокрастра; б –изменениепотока излучения,прошедшегочерез растр,во времени; в– изменениекоэффициентапропусканиярастра вдольоси y.

мплитуднойхарактеристикии несущей частотой

Рис.88. Растр длясмешанной

частотно-время-импульсноймодуляции

Рис.89. Растр для широтно- импульсноймодуляции

Техническиеосновы системлазерногозондирования.

Одну из мощныхсовременныхвозможностейдистанционногоизучения(количественногоконтроля) атмосферыи её составляющихобеспечиваютлидары – лазерныелокационныесистемы.

Задача лидарногозондированияв приближенииоднократногорассеяниясвязана с решениемуравнения (уравнениялазерногозондирования).

, (55)

гдеP(z,)– мощностьпринимаемогосигнала;

P_o()– мощностьзондирующегоимпульса;

_- объемныйкоэффициентобратногорассеяния;

z= с_u/2– пространственноеразрешение,зависящее отдлительностиимпульса _uи скоростисвета с;

(z,)– объемныйкоэффициентослабленияизлучения;

А –константаприбора, определяемаяплощадью приемнойсистемы ипропусканиемеё элементов;

G(z)функция геометрическогофактора лидара.

ФункцияG(z) определяетсяпроцессомвиньетированияприемной системойлидара сигналаобратногорассеяния, онаможет бытьрасчитана (см.рис. ), если заданыдиаметр приемноготелескопа D₀,поперечныйразмер зондирующегопучка излучения₀ и егоуглвая расходимостьQ_n,фокусное расстояниеприемноготелескопа ирасстоянияB и угла между оптическимиосями передатчикаи приемникалидара, формаи положениеполевой диафрагмыприемной системы,например, еёрасстояниеот фокальнойплоскостиz_0.Меняяz₀можно взначительнойстепени варьироватьдинамическимдиапазономлидарногосигнала.

Представленныйвариант зондированияможет бытьрасширен засчет многоволновой локацииили т.н. многочастотноголазерногозондирования.В этом случаеудается за счетпримененияметодов решения“обратныхзадач”трансформироватьвысотные профили(z,)в спектрыразмеров аэрозолейN(r,z) насоответствующейвысоте z.

Применениедвухчастотногозондированияиспользуетсядля определенияконцентрациигазов в атмосфере,например, еёвлажности.

Лазерноезондированиевлажности a(z)осуществляетсялидарным методомдифференциальногопоглощения,основанномна сравнениидвух сигналов,один из которыхсоответствуетдлине волны_n,совпадающейс линией поглощенияпаров воды,второй –близкорасположенной длине волны_oвне областипоглощения.

Причем:

(56)

где k₀(z),k(z)– профиликоэффициентовпоглощенияна длинах волн₁,₀;

zпространственноеразрешениепо трассезондирования;

P₀(z)и P₁(z)– профилирегистрируемыхотраженныхсигналов насоответствующихдлинах волн,приведенныек одному уровнюэнергии зондирующегоимпульса. Этисигналы описываютсяуравнением(55).

Лидардифференциальногопоглощенияпредставляетсобой сложныйоптико-электронныйкомплекс. О егопринципиальнойсхеме можносудить по рис.98.

К1

К2

ФЭУ3

Рис.98

Источникиизлучения лазер1 (694,383 нм) и лазер2 (=1 см^-1)генерируетимпульсы сосдвигом вовремени ~200относительнодруг друга.Часть излучения,для контроля,уровня энергиинаправляетсяк ФЭУ_(1,2) . (k_1,2- коллимторы).В аппаратуре,показаннойна рис.98, примененыв приемнойсистеме дваФЭУ_(3,4)дляуменьшениядинамическогодиапазонасигнала (возможнаяальтернатива– применениет.н. динодногосъема сигналовпри одном ФЭУ).

Для защитыфотокатодаФЭУ₄от мощной засветки,поступающейот близлежащегоучастка пространстваприменен блокуправлениямодулятором(БУМ). Методдифференциальногопоглощения(МДП), как отмечалосьприменим дляопределенияконцентрацииразличных газов(NO₂,SO₂,O₃,NH₃,CO₂).ИспользуетсяУФ, видимая иИК областиспектра. В последнемслучае нашлиприменениев виде промышленныхразработоктрассовыелазерные измерителиконцентрации,которые обладаютбольшей точностьюи помехоустойчивостью.

Вариантконструктивногоисполненияприемопередающегоблока лидарапоказан нарис.99. На рис.100приведена схма, поясняющаярежим работылидара приконтроле состоянияатмосферы прирудных разработках.

Наряду с МДПвсе шире применяютсялазерные локаторы– спектрометры,использующиеявление комбинационногорассеяния ифлуоресценции.Принцип действияэтих приборовзаключаетсяв следующем.Все элементыокружающейсреды при облучениикоротковолновым(УФ) излучениемспособны генерироватьвозбужденное(флуоресцентное)излучение нахарактерныхдля данноговещества частотах.Поэтому в приборена рис. 99 в кчествеисточникапервичногоизлученияиспользованлазер на красителе,обладающийдостаточноширокой областьюгенерируемогоспектра ( в качествеисточниканакачки применялсяэксимерныйлазер). Излучениелазера на красителенаправляетсяна исследуемыйэлемент окружающейсреды. Излучениефлуоресценциивоспринимаетсяприемным оьъективом,разлагаетсякомпактныммонохроматоромдля выделенияинтересующегоучастка длинволн .Величина сигналаI()и будет искомойколичественнойхарактеристикойконтролируемогоучастка.

Рис. 99 . Внешнийвид приемо-передающегоблока лидара.

Рис. 100. Схемаработы лидарав режиме контроляоткрытого

рудногокарьера.

Применениетехнологиифлуоресцентногоанализа в другихпрактическихзадачах.

В последневремя происходитбурное развитиефлуоресцентныхметодов анализаи создаютсяновые приборы,работающиена принципеизмеренияфлуоресценцииобразцов вразличныхагрегатныхсостояниях.Второе рождениеэтого направлениясвязано с появлениемновой элементнойбазы (лазеры,высокочувствительныеприемникиизлучения дляультрафиолетовойи видимой областиспектра), чтопривело ксущественномуповышениючувствительностифлуоресцентногометода и достижениюрекордныхзначений минимальноопределяемыхконцентрацийне регистрируемыхдругими методамианализа. Принципиальныеизменения вструктурупостроенияфлуоресцентныхприборов внеслотакже появлениемногоэлементныхфотоприемников,что позволилоисключитьсканирующиеустройстваиз приборов,тем самым упроститьих конструкциюи значительноуменьшить ихгабариты.

Расширениеобласти примененияфлуоресцентныхприборов стимулируют исследованияспектровфлуоресценциимногих объектови веществ. Напримерпоказана высокаяэффективностьих примененияв диагностикекачестванефтепродуктов,определениясостояния живойткани в процессеоперации илипри оценкенеизвестногомедикоментозноговмешательствав организмчеловека, таккак было показано,что УФ флуоресценцияклеток реагируетна малейшиенарушения ихфункциональногосостояния,причем зачастуюдинамикуинтенсивностиизлученияудается зарегистрироватьдаже тогда,когда никакиедругие методыне улавливаюткаких-либофункциональныхи структурныхизменений втканях.

В частности,в Казани проведеныисследованияпо изучениюспектровлюминесценцииорганов желудочно-кишечноготракта в нормеи в экспериментальномилеусе и в практикеРКБ освоенновый методдиагностикивоспалительныхзаболеванийорганов желудочно-кишечноготракта.

Для флуоресцентнойдиагностикив медицинеиспользуетсяприбор , схемакоторого приведенана рис.101. Приборимеет оригинальнуюоптическуюсхему с использованиеммногоэлементногофотоприемникаи импульсногоазотного лазера.Для удобстваработы излучениелазера и излучениефлуоресценциинаправляетсяпо двум кварцевымодножильнымсветоводам,сформированнымв кабель-зонд с устройствомдля ввода егов анализируемуюсреду. Излучениелазера черезсогласующуюоптику подаетсяна вход световода,по которомупроизводитсяоблучениеисследуемогообъекта. Излучениефлуоресценциисо световодаподается навходную щельполихроматора,относитеьноеотверстиекоторого согласованос апертурнымуглом кварцевойжилы и составляетвеличину1:4.Необходимаяобратная линейнаядисперсия 0,030мкм/мм приданной светосилеи размерефотоприемникадостигаетсяприменениемвогнутойдифракционнойрешетки (300 штр/мм)с радиусомкривизны 100 мм.При этом спектральноеразрешениеприбора приширине щели0,1 мм составляет~ 3 нм. В плоскостиспекттраполихроматораустановленмногоэлементныйфотоприемник– фотодиодная линейка, имеющая500 светочувствительныхплощадок размерами26х500 мкм. Выходнойсигнал с приемникаизлученияусиливаетсяв предварительномусилителе ипоступает насхему двойнойкоррелированнойвыборки (ДВК),которая предназначенадля уменьшенияшума фотоприемника.

С ДВК аналоговыйсигнал поступаетв АЦП, где преобразуетсяв цифровуюформу и вводитсяв микроЭВМ спомощью устройстваввода и управления(УВиУ). По командамс микроЭВМустройствоввода и управленияформируетдиаграммууправляющихнапряженийдля фотоприемникапосредствомсхемы формированияуровней (СФУ).Кроме того, сУвиУ производитсяуправлениеэлектромеханическимзатвором (ЭМЗ),установленнымперед входнойщелью полихроматора.

Графическоеи цифровоепредставлениесигнала отображаетсяна мониторе.Программауправленияи обработкиинформациизаписана намагнитномносителе ивводится вмикроЭВМ черезустройствоУВХЛ (магнитофон).При необходимостиработы приборадлительноевремя в жесткойпрограмме,программазаписываетсяв ПЗУ.

Возвращаяськ проблемеконтролянефтепродуктов,можно показать,что они такжефлуоресцируютпри возбужденииих излучениемлазера, а значитдля их определенияможно использоватьвышеописанныйприбор длямедицины. Вместес тем, экспериментыпоказывают,что для работыс нефтепродуктами,раствореннымив воде (одна иззадач экологическогоконтроля!)чувствительностьописанногоприбора недостаточна,чтобы работатьс реальнымиобразцами безих обогащения.Для повышениячувствительностиприбора вполихроматорможет бытьвведен дополнительноусилительяркости – электронно– оптическийпреобразователь(ЭОП), с которымстыкуетсямногоэлементныйприемник.Предложеннаясхема позволилаповыситьчувствительностьприбора на трипорядка.

Рис. 101. Функциональнаясхема прибора:1–лапароскоп;2 – кварцевыеодножильныесветоводы; 3 –многоэлементныйприемник; 4 –узел сопряжениясо световодом;5 – импульсныйлазер; 6 – электромеханическийзатвор; 7 – полихроматор;8 – предварительныйусилитель; 9 –схема двойнойкоррелированнойвыборки; 10 –аналого-цифровойпреобразователь:11 – устройствоввода и управления;12 – схема формированияуровней; 13 –магнитофон;14 – микроЭВМ;15 – монитор; 16 –анализируемаясреда.

Источникфемтосекундногоимпульсногоизлучения ваимосфере.

Солнце, звезды,луна, находящиесявне атмосферы– важные источникмизлучения,используемыепри определениихарактеристикатмосферыЗемли. Однакоэти источникиосвещения непозволяют вестинаблюденияна любой нужнойвысоте, там гдеэто необходимо.Поэтому долгоевремя мечтойученых геофизиков–метеорологовбыло созданиеисточникаизлучения наопределеннойвысоте. В Германиии США проведеныэкспериментыс фемтосекунднымилазернымиимпульсами(-14с) большоймощности, которыепосылалисьв атмосферув вертикальномнаправлении.При этом наместе прохожденияимпульса наблюдалосьявление генерациибелого света.. Реализованныйопыт позволяетвплотную приблизитьсяк мечте о беспроводномисточникебелого светав небе, открывающимновые многообещающиеперспективыв областиисследованияатмосферы.

Генерациябелого светав газах прифокусированииизлученияультракороткихимпульсовлазеров с энергиейв импульсе Твт(>10¹²вт) –известноеявление. В ходепоследнихэкспериментовпоказано, чтопри использованиисовременныхлазеров, работающихв фемтосекундном режиме, сфокусированныеимпульсы лазерногоизлучателяобеспечиваютинтенсивныйбелый свет вгазе или воздухеи генерируютустойчивыесветовые полосыс размерами10 м.

Экспериментальнаяустановкапоказана нарис.102.

Излучающаячасть установкивключает: лазернуюсистему, работающуюв фемтосекундномимпульсномрежиме, устройствосжатия импульсов,оптику фокусировкилуча и управленияим. Лазерныеимпульсы максимальноймощностью ~2,2 Твт наводилисьиз лабораториии направлялисьв вертикальномнаправлении.Эти импульсылибо в незначительнойстепени фокусировалисьс помощью собирающейлинзы, либонаправлялисьбез использованияоптики. В последнемслучае лучбыстро исчезалвследствиисамофокусировки.Однако в любомслучае профильраспределенияинтенсивностилуча был неустойчиви разделялсявследствиесамофокусировкинамногочисленныенити, в которыхпроисходитгенерация(квази) непрерывногоизлучения.

Как показываетфотоснимокна рис.102 белыйсвет виден нанебе на большомрасстояниидаже невооруженнымглазом. В отличиеот почти невидимоготемно-красногоцвета лазерногоисточникафемтосекундныхимпульсов, лучкажется желто-белым,причем интенсивностьрассеянногосвета достигаетсвоего максимумана высоте ~2 км. Это повышениеинтенсивностисвязано с наличиемтемпературногоинверсионногослоя, где происходитскоплениеатмосферныхаэрозолей,рассеивающихбелый свет.

Рис.102.

1 – излучатель(длительностьимпульса 110фемтосек), 2-приемник, 3 –система сжатияимпульсов,4 –фокусирующаялинза, 5 – системалазера натитане/сапфире,работающегов фемтосекундномимпульсномрежиме, 6 – оптическоеволокно, 7 –телескоп, 8 –оптическиймногоканальныйанализатор

Рис.103 Фотоснимокатмосферногоканала белогосвета, сделанныйс внутреннегодвора зданияфизическогофакультетауниверситетаимени Ф.Шиллерав Йене.

Описанноеявление былоиспользованопри созданииустановки-лидара,в которой излучающаяи приемнаясистемы былиразнесены нарасстояние10 м. Лазер изготовленна титане/сапфирев качествеусиливающейсреды и работаетна длине волны=790 нм(спектральнаяширина – 11 нм,длительностьимпульса -~110 фсек). Максимальнаяэнергия импульсана выходе – 240миллиджоулей(после сжатия–Твт) при частотеповторения10 Гц. Диаметрпучка, проходящегочерез конечнуюапертуру системы– 60 мм.

Рассеянныйобратный светсобирался спомощью телескопаКассегренаи фокусировалсянепосредственнона волоконныйкабель диаметром1 мм. Спектральнаяхарактеристикапринимаемогосвета анализироваласьс помощью оптическогомногоканальногоанализатора(ОМА). Основнаядлина волнылазерногоизлучения вовремя этихизмеренийподавляласьцветными стекляннымифильтрами.

Ослаблениеоптическогоизлучения ватмосфере

Наличиеатмосферы междунаблюдаемымобъектом и ОЭСобычно являетсяпричиной основныхпомех. Энергияизлучения отобъекта ослабляетсяпри прохождениисквозь атмосферу,трансформируетсяеё спектральныйсостав Крометого, градиентытемпературыв атмосферевызываеттурбулентность,связанную снеоднородностьюпоказателяпреломлениявоздуха, чтообуславливаетфлуктуации амплитуды,фазы и углападения излученияна входнойзрачок прибораи, как следствие,ухудшениекачества сигналаизображения.

Ослаблениеизлучениязависит отследующихявлений:

молекулярногопоглощениягазами, входящимив состав атмосферы,
ослабленияза счет поглощенияи рассеянияизлученияатмосфернымаэрозолем –твердыми ижидкими частицамивещества,взвешеннымив воздухе иобразующимидымки, туманы,дым и облака.
молекулярногорассеяния,
ослабленияза счет флуктуацийна входномзрачке.

Молекулярноепоглощениеизлучения

Уже продолжительноевремя – по крайнеймере с 50-х годовмолекулярноепоглощение(МП) в атмосфереявляется предметомтеоретическихи экспериментальныхисследований,и составляетважнейшую частьотносительномолодого направленияв науке – прикладнойатмосфернойоптики. Подобныйинтерес определенне толькопроблематикойсоздания иэксплуатацииОЭС, но и многимидругими геофизическимизадачами, включаяэкологию, прогнозпогоды и климатическихизменений.

Методы иисследованияМП –

лабораторныеи натурныеисследованияфункций спектральногомолекулярногопропускания,спектроскопическиххарактеристикоптическиактивных газов,разработкатеоретическихи эмпирическихметодик расчета,статистическиобеспеченныхкак и в задачео свойствахфонов:
получениестатистическихданных о вариацияхконцентрациипоглощающихгазов и рядаопределяющихпараметров(температура,давление).

Картиныструктурыспектра молекулярногопоглощенияизлучения вУФ, видимом ИКдиапазоне волниллюстрируютрис.20,21. На рисункахприведеноположениеосновных полоспоглощенияосновных атмосферныхгазов.

Рис.20 Общая картинаспектра поглощенияоптическогоизлученияатмосфернымигазами с обозначениемцентров полос

(представленапо измерениямсолнечногоизлучения)

Рис.21. Экспериментальныйспектр прозрачности/7/ слоя атмосферы

0,3км над уровнемморя (толщинаосажденногослоя воды

температуравоздуха +26С

Продолжениерис.21

(фрагментыг,д,е)

продолжениерис.21

(фрагментыж,з,и)

Методырасчета МП.

В настоящеевремя в практикеиспользуюттри методарасчета молекулярногопоглощенияили как удобнее– молекулярногопропускания_

(6)

/ЗдесьI₀– амплитудасигнала науровне источникаизлучения,

I_L– амплитудасигнала навходном зрачкеОЭC, удаленномна расстояниеL от источника/:

теоретический/”линияза линией”/,когда интегрируетсяфункция ()с учетом каждойиз сотен линийпоглощенияв пределахинтервала ;
полуэмпирический;
эмпирический.

Теоретическийметод в последниегоды все ширеиспользуетсяв зарубежнойпрактике ипредполагаетзнание положениякаждой линиипоглощениякаждого изатмосферныхгазов, а такжеформу и интенсивностьэтих линий.

Расчёты _осуществляютсяс разрешениемпо спектру длинволн для интервалов=20см^-1относительномощными ЭВМ,в памяти которыхсодержитсябаза спектроскопическойинформации.Процесс расчетав зарубежнойлитературе– этот методопределен как“расчетлиния за линией”и оформлен ввиде стандартныхпрограммныхсредств типа“Hitran”, которыепостоянноуточняются.

Полуэмпирическийметод получилосновное развитиетакже за рубежом.

Его сутьсвязана с упрощениемреальной структурыспектра поглощения,отражающимхарактерныеособенностиразличныхгазов.

Например,из экспериментаизвестно, чтотакие газы какСО₂, СО, НСlимеют ту особенность,что линии поглощениярасположеныпо спектруупорядоченно.Это обстоятельствоиспользуетсяв модели Эльзассера,в которой реальнаяполоса поглощениязаменяетсясовокупностьюравноудаленныхлиний поглощенияодинаковойинтенсивности.Подобный подходпозволяетсвести расчет_к одной достаточносложной формуле

, (7 )

где

d-среднеерасстояниемежду линиями,I(x) – функция Бесселя, - полуширинаспектральнойлинии, S-еёинтенсивность,- количествопоглощающеговещества натрассе.

Известныдальнейшиеупрощениярасчетнойформулы (7).

Основныенедостаткимодели – еёсложность ипогрешности.

Другой пример.Такой газ, какпары воды,характеризуетнерегулярноераспределениелиний поглощенияв измеренныхспектрах. Этообстоятельствовызвало к жизнистатистическуюмодель (модельГуди), котораяпредполагаетзамену реальнойполосы поглощениянабором линий,расположенныхслучайнымобразом.

Дальнейшееразвитиеполуэмпирическогометода расчета_характеризуетмодель полосыпоглощенияв виде случайнорасположенныхв её спектреполос Эльзассера.

В этой модели

, (8)

гдеN –число наложенныхдруг на другаполос Эльзассера.

Дляj –полосыполушириналинии, _i- расстояниемежду линиями,d_i- интенсивностьS_i.

Модель (8)нашла применениепри описанииоптическихтрасс большойпротяженностипри наличиислабых линийпоглощения(т.е. когда

И, наконец,агрегатныйметод – гдеиспользуетсясовокупностьвышеперечисленныхметодов и достигается– наиболееблизкое к реальномуописание функций_для основныхабсорбентоватмосферы –паров воды иуглекислогогаза.

Как видно,полуэмпирическиеметоды и ихкомбинациииспользуютстилизации,следующие изкачественнойоценки спектров__эксп.,экспериментальныеданные и теоретическиемодельныерасчеты оспектроскопическихпараметровлиний. При этомдостигаетсяудовлетворительноесовпадениес экспериментомв отдельныхучастках функций__расч(),(где - поглощающаямасса газа) ирасхождениирасчетных иэкспериментальныхзначений _в других.

Эмпирическийметод, которыйнашел своеразвитие втаких зарубежныхразработкахкак “Lowtran”,“Modtran” и активноразвиваетсяв отечественныхразработках,наиболее удобенв инженернойпрактике.Исследованияпоказали, чтофункция _,по крайней мерев пределах_=0,05…0,95может бытьаппроксимированасоотношениемвида

(9 )

где_- коэффициент,определяющийинтенсивностьпоглощенияв области _i/определяетсяиз эксперимента/,m_ и n_ -эмпирическиепараметры, - количествопоглощающегогаза на трассе,p – давление,равное суммедавлений(поглощающегосяи т.н. уширяющегосягаза). Соотношение(9) отвечаетоднороднойгоризонтальнойтрассе визирования.В общем случае

(10)

где_эфф-эффективнаяпоглощающаямасса газа,определяемаяинтегрированиемпо оптическойтрассе Lс учетом реальнойстратификациипоглотителяв атмосфере.

Известентакже графическийметод расчета_, который базируетсяна использованиисоотношения(10). Действительно,можно показать,что (10) соответствует:

( 11)

В основнойсистеме координат

на лучах, исходящихиз её центра,нанесён спектр:

, (12 )

которыйиспользуетсядля поиска лучав системе координат,представляющейграфик зависимости

.Принцип еёпостроениядля отдельнойобласти спектрапоказан нарис.21а.

Рис.21а.Номограммадля расчета

вобласти

полосыпоглощенияпаров Н₂О 1,37мкм

Примеррасчета спектральногомолекулярногопропускания.

Оптическиактивные газыатмосферыподразделяютсяна компоненты,концентрациякоторых в воздухепрактическипостоянна - этоСО₂, СО, NH₃,O₂,CH₄,N₂O,O₃) и пары Н₂О,содержаниекоторых определяетсяабсолютнойвлажностьювоздуха в данныймомент времени.КонцентрацияС₀ отмеченныхгазов в атмосфереЗемли имеетзначения для

СО₂3,410^-2%,

СО(1-20)10^-5%,

CH₄1,410^-2%,

N₂O(2,5-6)10^-3%,

O₂,=20,95%

Н₂О(2-40)10^-2%.

Поглощающуюмассу газа спостояннойконцентрациейбудем определятьв соответствиис (9). Тогда длягоризонтальнойтрассы L(км),расположеннойна высоте h(км)

,[cм] (13)

гдеq_h– относительнаяэффективнаяконцентрация,определяемаясоотношением:

(14)

приусловии, чтофункция давленияв атмосфереопределяетсябарометрическойформулой:

(15)

Дляпаров воды вприземном слоевоздуха

(16)

гдее – парциальноедавление паровводы,

T– температурав К.

Определениевеличины __hдля вертикальныхоптическихтрасс требуетинтегрированияпо высоте сучетом стратификацииконкретногогаза. Для наклонныхтрасс

, (17)

гдев пределах(0-85) отвертикали=secи определяетсятабулированнойфункцией Бемпорадв области 85…90.

Аэрозольноеослаблениеоптическогоизлучения

Как можнобыло видетьиз вышеизложенного,спектральноемолекулярноепоглощениеотличают двахарактерныхобстоятельства:

невыполнимостьдля функции _закона Бугера*⁾
высокаяспектральнаяселективность^{^}

Аэрозольноеослаблениеизлучениясвязано с егопоглощениеми рассеяниемна частицах,взвешенныхв воздухе ихарактернотем, что имеетнезначительнуюселективность,а также подчиняетсязакону Бугера(т.е. коэффициентослабленияпропорционаленколичествувещества натрассе или еёпротяженности).С учетом этогообстоятельствааэрозольноеослаблениеизлученияв однороднойсреде (например,на приземнойоптическойтрассе):

, (18)

причем

(19)

Способностьчастицы аэрозоляослаблятьизлучениеопределяющимобразом связанас комплекснымпоказателемпреломлениявещества, изкоторого частицасостоит, и размерамчастицы.

Теория рассеянияоптическогоизлучениянаиболее полноразвита Ми иносит его имя.

Согласнотеории Ми

(20)

В (20) присутствуетпоперечноесечение частицы(r²),n_r– количестворассеивающихчастици K₀– эффективныйкоэффициентрассеяния,являющийсяфункциейотносительногорадиуса частицы

ипоказателяпреломленияm=n-i(см. рис.22).Невыполнениезакона Бугерадля распространенияизлучения ваэрозольнойсреде наблюдаетсятолько припревышениимощности излучения– порога, закоторым начинаетсявзрывообразноеразрушениеотдельныхчастиц аэрозоля.Аналогичнымобразом определяетсяи функцияэффективногокоэффициентапоглощенияK_р, котораяимеет болеепростой видбез характерныхдля К₀сцинтиляций.

В литературеизвестны специальныерасчеты потеории Ми функцийрассеяния ипоглощениядля частиц сразличнымиm_,.Как правилоэто объемистыеиздания. Большинствотаблиц определяютсферическиечастицы с однороднойструктурой.Специальныеразделы посвященыразвитию теорииМи в интересахрасчета рассеянияна несферическихчастицах, –например эллипсах,цилиндрах ит.д. Достаточноглубоко исследовантеоретическийвопрос рассеянияна многослойныхчастицах. Последнийактуален дляатмосфернойоптики, посколькудоказано, чтопри относительнойвлажностивоздуха f40 %частицы аэрозоляувлажнены ив их “оптике”должно учитыватьсяпроявлениесвойств воды.В частности,доказано, чтопри толщине“водянойрубашки”частицы,составляющей10% и более, еёоптическиесвойства полностьюопределяютсяm_воды (раствора).

На практикеоказалось болееудобным расчет_осл_осуществлятьна основеэмпирическихсоотношений.Впервые аппроксимация_была предложенадля видимойобласти спектраАнгстремоми определяетсясоотношением

, (21)

гдеn–эмпирическийкоэффициент.

Рис.22.Пример измененийэффективныхкоэффициентовослабления(К_ос),

рассеяния(К_р) и поглощения(К_п) дляводяных сфер(=4 мкм),

Позднееспециальнымиисследованиямибыло показано,что формулаАнгстрема наоснове незначительногоусложненияможет бытьраспространенана широкуюобласть длинволн. В этоймодифицированнойтрактовке

(22)

В (22) n₀,n₁, n₂– эмпирическиепараметры,одинаковыедля конкретных состоянийатмосферы т.н.типов оптическойпогоды, _- компонента,независящаяот типа оптическойпогоды, имеющаявыраженныйселективныйход (см.рис.22а)(физическисвязана споглощающимисвойствамивещества аэрозоля– его воднойоболочки, задаетсятаблично), ₀-коэффициентослабленияв области, вкоторой осуществленанормировкафункции.

В соответствиис общепринятойпрактикой –это видимаяобласть спектра,в которой аэрозольноеослаблениехарактеризуютметеорологическойдальностьювидимости S_M,связанный споказателемослабленияизлучения надлине волны=0,55 мкм

.Согласно соотношенияКошмидера

, (23)

Коэффициент3,912 в (23) определяетсяисходя из возможностичеловека призаданной контрастнойчувствительностиглаза различатьна расстоянииS_M=Lраздельно двапредмета. Такимобразом, с учетом(9,18,24)

имеем:

(24)

Аэрозольнаяи молекулярнаякомпонентыдействуютнезависимо,поэтому, следуя (9,18,24)

(25 )

В(25) не учтеноРэлеевское(молекулярное) рассеяниеизлучения.

Рэлеевскоерассеяниеизлучения.

Аэрозольноерассеяние носитназвание рассеянияМи. В УФ и видимойобласти спектрадолжно бытьучтено такжемолекулярноерассеяние нафлуктуацияхплотностивоздуха, описанноеРэлеем.

Из курса общейфизики известно,что

, (26)

(n– показательпреломлениявоздуха; _в,_во– плотностьвлажного исухого воздуха, N_- число Лошмидта,

P–деполяризациясвета).

Изменение

1/⁴и определяеттот факт, чтов области 1мкм

становитсяменее 0,001 и можетне приниматьсяво внимание.(Для примерапри =0,4мкм
=0,043км^-1).

Рис.22а

На рисунке22а _- компонента,обусловленнаяпоглощениемизлучениягазами, ₂- аэрозольнаякомпонента,зависящая отпогоднойситуации,₃=exp(-L)-зависит толькоот S_М,спектральнаязависимость₃показана нарис. 22б

Рис.22б

Атмосфернаярефракция итурбулентность

Атмосфернаярефракция итурбулентность– это те факторы,с которымисвязано какослаблениепотока излучения,фиксируемогоОЭС, так и ухудшениенаблюдаемогоизображения.

Атмосфернаярефракцияобусловленаградиентомпоказателяпреломленияв атмосфере,в особенностив её приземномслое, которыйсвязан с суточнымходом температурывоздуха.

Известно,что показательпреломлениявоздуха зависитот его плотности_в (n-1=k_в,где k –константа), аплотностьобратно пропорциональнаабсолютнойтемпературе,с учетом этогоможно показать,что

т.о.

Если мы имеемдело с ОЭСстационарного наведения наисточник –объект, то легкоубедиться напрактике, чтов первые жеполчаса послевосхода солнцанаправленныйна входнойзрачок ОЭСколлимированныйпоток от объекта-источникавыйдет из полязрения прибора.Это конкретноепроявлениерефракции.

Неоднородностипрогрева атмосферноговоздуха, связанныес облачностью,различием типаповерхностии растительностиприводят кфлуктуациямего плотностии соответственнопоказателяпреломленияблагодаря чемуимеет местоатмосфернаятурбулентность.

Атмосфернаятурбулентностьприводит кискривлениюпучка лучейиз-за стратификациислоев воздуха(результат –миражи и угловыеошибки в ОЭС).Быстрые флуктуациинеоднородностей– причина флуктуацийнаклона волновогофронта и перемещенияточки изображенияв плоскостиизображения,расфокусировки,“пятнистости”изображения,нарушенияпространственнойкогерентности.

Расчет влияниятурбулентностина качествоизображениябазируетсяна теории дифракциив её применениик дифракцииизлучения нанеоднородностяхатмосферы иразвит В.И.Татарским.При этом, в общемслучае учетатурбулентноговоздействияна поток излученияможно показать,что влияниедифракцииощущаетсятолько в томслучае, еслипоперечноесечение пучка

,где -длинаволны, L– расстояние.

ЗначениеR для различных и Lданы ниже

мкм

L, м

0,5

10,0

100

1000

10000

2,3

7,1

22,4

70,7

31,6

100,0

316

луктуациилуча за счетвариаций показателяпреломленияпринято описыватьс помощью структурнойфункции F_n(r),которая являетсякорреляционнойфункцией,определяющейразности показателейпреломленияm(x+r)– m(x),где rхарактеризуетрадиус (масштаб)флуктуаций.В соответствиис теорией В.И.Татарского

(28)

длясреды с масштабомфлуктуаций

(

-max,

-min границыразмеров флуктуаций).

КоэффициентС_n–структурнаяпостояннаяпоказателяпреломления.Если С_n=0имеет местооднороднаясреда, перемещениевсех её точекпроисходитс одинаковойскоростью.

ПриС_n=810^-9м^-1^/3–имеем слабую(

=1,2см,

=10м)

С_n=410^-8м^-1^/3– среднюю и

С_n=510^-7м^-1^/3– сильную турбулентность

=0,3см,

=1м

Сдвиглуча характеризуетсядисперсией

или среднеквадратическимотклонением

(29)

Флуктуациилуча приводятк расплываниюпучка на 2_rи угловойошибке

.Спектр частотфлуктуациилежит в пределах0,03 Гц…20 Гц.

В заключениеиллюстрируемпредставленныевыше сведения.

Рис.23 даетпредставлениео пространственно-временныхизмененияхпоказателя_в пыледымовыхоблаках различногопроисхождения.В частностина рис.23(а) даныпоперечныеразрезы (L)облака маскирующейаэрозольнойзавесы (МЗ). Нарис.23 (б) показанэффект измененияспектра размеровчастиц приудалении отоси шлейфа МЗ.

На рис. 23 (в)приведенычастотныеспектры вариацийпоказателя_(см. рис.23(г)) в МЗ,создаваемыхгенераторамиразличныхконструкций(1…6).

Рис. 24иллюстрируетспектральныйход оптическойплотности

ряда известныхдымообразующихсоставов, используемыхдля созданияМЗ

(L₃–геометрическая ширина МЗ)/

Рис.23

сек

продолжениерис. 23

(фрагментыБ,В,Г)

Наконецтаблица нижеиллюстрируетэмпирическуюмодель спектральныхпоказателейаэрозольногоослабления, вкоторой указаныпараметры длярасчета и данахарактеристикасоответствующихметеорологическихусловий.

Таблица

Модельспектральныхпоказателейаэрозольногоослабления

Морфологическоеобозначениетипа оптическойпогоды

Синоптическаяситуация

Температуравоздуха С

Относительнаявлажность, %

S_M,

Км

n₀

n₁

n₂

Дымка

Туманнаядымка

Дымка

Туманнаядымка

Дымка

Ледянойтуман

Антициклонынетропическихширот

Антициклонысубтропическихширот

Квазистационарныеантициклоны(гребни) внетропическихширот

(-20)(+20)

(-12)(+25)

от–35

до -12

50-90

30-50

50-90

85-90

90-95

90-100

60-90

90-100

70-90

20-50

15-50

1—20

5-10

10-15

5-10

1-5

5-15

1-5

0,03

0,004

0,09

0,07

0,22

0,06

0,30

0,56

0,34

0,56

0,35

0,44

0,54

0,57

0,79

0,37

0,39

0,49

0,39

1,45

1,06

0,65

0,4

0,9

0,39

0,52

0,39

Рис.24

Рис.25.

На рис.25 представленадемонстрациявозможностиодностороннегопреимуществапри постановкеМ3, связанногос тем, что противникуне известнаобласть спектра,где _0.Этот участокможет бытьиспользовандля «скрытой»связи по аналогиис запаснымичастотами врадиосвязи.Представленныйэффект достигаетсяза счет оптимизированногоподбора веществачастиц в М3,обладающихопределеннымкомплекснымпоказателемпреломленияn()и спектромразмеров частицN(r).

Ранее былоотмечено, чтотакие газы каСО₂, СО, СН₄и ряд другихпредставленыв атмосфереЗемли практическив постояннойконцентрацииимеющей лишьнезначительный(вековой) тренз.Вместе с темв отдельныхучастках пространствав условиях,когда имеетместо приземнаяинверсия температурыугарный газСО может накапливатьсяи более существенновлиять на оптикуатмосферы. Этотфакт демонстрируетрис.26.

Рис.26

Типичнаяпогодная ситуациянакопленияСО в приземнойатмосфере –зима, инверсиятемпературы,наличие интенсивныхисточниковугарного газа–автомобилейи отопительныхсистем. Причемиз рис.26 следует,что увеличениеконцентрацииСО коррелируетс аэрозольнымпомутнениемвоздуха, котороеопределяетвеличинаметеорологическойдальностивидимости.Подчеркнем,однако, чтоприведенныйпример имеетграницы впространствеи времени имало заметенв глобальномраспределении.

Наконец рис.27позволяетсравнить (оценкиспециалистовСША) модель,предлагаемуюс учетом соотношения(22) (на рисунке– кривые , длявозможныхвариаций _).С принятой вСША стилизованноймоделью атмосферногоаэрозоля (пунктир).Действительномодель аэрозоля,принятая в СШАвходит в программу“Lowtran” и предлагаетучитыватьтолько такиесостоянияаэрозоля, как“сельский”,“городской”,“морской”,что не можетбыть адекватнымотражениематмосферысхарактернымдля неё перемещениемвоздушных масс(V_ср50км/час)

Рис.27

Примероценки радиационныхконтрастовмалоразмерныхобъектов поданным численногомоделированияв области спектра8-14 мкм.

Представленныесведения обобъектах (фоне)и ослабленииизлучения ватмосферепозволяютпредставитьпример их примененияв общей оценкеконтрастовмалоразмерныхобъектов, подкоторыми будемпонимать объектымешающиепилотированию(ОМП) на низкихвысотах. ОЭСработает вобласти 8-18 мкм,т.е. являетсятепловизором.

Рассмотримсначала методрасчета радиационныхконтрастовнизкотемпературныхпрепятствийна пригоризонтальныхфонах Землии атмосферы.При этом принимаем,что отражательныехарактеристики(альбедо )и температураобъектов иподстилающихповерхностейизвестны.

Значениякоэффициентовчерноты некоторыхконструкционныхматериаловв области спектра8-13 мкм

Материал

Коэффициентчерноты (1-)=

Кирпич

Бетон

Древесина

Окрашенноежелезо

Окисьалюминия

Сталькоррозионно–стойкая

0,93

0,81

0,90

0,75

0,50

Нужноразличать фонизлученияподстилающейповерхностипод зенитнымуглом наблюдения и фонатмосферы,когда линиявизированияне пересекаетподстилающуюповерхность,а проходит надней на некоторойвысоте Z_hпри наблюдениис высоты Z_min.Спектральнаяяркость восходящегоизлучения Землиописываетсяизлучением черного телас температуройравной температуреподстилающейповерхности,причем коэффициентчерноты =(1-)=0,8-0,99.В области спектра8-14 мкм альбедоподстилающейповерхности наиболеенизко для песка(1-)=0,8 и близкок 1 для мокрыхпочв и воднойподстилающейповерхности.

В области8-13 мкм естественныепрепятствияимеют значениеальбедо , изменяющеесяв довольношироких пределах– от 0,5 до 0,05 /Втаблице вышеприведенызначения коэффициентачерноты длянекоторыхконструкционныхматериалов/.

Радиационныйконтраст объектовопределяетсяпо формуле (15)или аналогичнойей

, (30)

гдеI_об– интенсивностьизлучения отобъекта, I_ф– интенсивностьизлучения фона.Однако длянизкотемпературныхобъектов необходимучет излученияфонов, отраженныхот объекта.Последние будутзависеть отнаправлениявизированияобъекта, таккак на горизонтальноориентированнуюплощадку падаетизлучение сверхней полусферы(нисходящееизлучениенеба), а на вертикальноориентированнуюплощадку падаетизлучение неба(из верхнейполусферы) иизлучениеЗемли. При техже самых величинахальбедо отраженноеобъектом излучениефона для горизонтальноориентированнойплощадки всегдаменьше, чем длявертикальной.Таким образомнеобходиморассматриватьдванаправлениявизирования– “в горизонт”(вертикальнаяплощадка) исверху (горизонтальнаяплощадка).

Итак, длярасчета радиационногоконтрастанеобходимознать температуруобъекта Т_оби фона Т_ф,которые, нарядус известнымивеличинами_оби _фпозволяютрасчитатьяркость фонаВ_об=В(Т_об)_об и объекта В_ф=В(Т_ф)_фна основе данныхо яркости АЧТВ(Т_об) иВ(Т_ф).

Введем далееследующееобозначение:

- средняяинтенсивностьнисходящего

(т.е. направленногосверху вниз)и восходящегоизлучений

атмосферыкак одной изсоставляющихфона. При этомрасчет

выполняетсяпо формуле

(31)

Температураповерхностикак препятствий,так и окружающегофона зависитот многих факторов- таких какположениеСолнца на небосводе,замутненностьатмосферы,наличие илиотсутствиеоблачности,влажностьатмосферы ипочвы, скоростьветра и др. Всвязи с тем,что теплопроводностьи теплоемкостьобъектов наестественныхфонах. различаются,в условияхсильных солнечныхзасветок наблюдаютсязначительныеперепады температурыобъекта и имеетместо достаточновысокий контрастпри наблюдении Радиационныеи температурныеконтрастысущественноснижаютсяприналичииоблачности,сильной замутненностиатмосферы. Вэтих ситуацияхконтрастностьобъектов определяетсяотличиями ввеличинахкоэффициентачерноты объектов.

Величинытемпературныхконтрастовопределяютсясреднеинтегральнойяркостнойтемпературойобъекта и фона

(32)

Еслирадиационнаятемператураобъекта большерадиационнойтемпературыфонов, то наблюдаетсяположительныйтемпературныйконтраст. Впротивномслучае – температурныйконтрастотрицательный.и относительногорадиационногоконтраста поформуле приведеннойвыше. В дневныхлетних условиях разброс радиационныхтемпературяркости естественныхфонов оченьвелик от 15 до50С, в связис чем объектымогут иметьв зависимостиот яркостифонов какположительные,так и отрицательныетемпературныеконтрасты,которые зависятот типа подстилающейповерхности(почва, асфальт,водная поверхность)и особенно отвлажностипочвы. Важнотакже учитыватьналичие тениоблаков. Толькодля влажнойпочвы (например,после обильныхосадков) температурныеконтрастыобъектов являютсяположительными.В ночных условияхрадиационныеконтрастыобъектов являютсяположительными.БольшинствоОМП в сумеркахприобретаютзаметностьв основном засчет большейинерционностипри радиационномвыхолаживании.Большое значениеприобретаетздесь протяженностьпрепятствий,от которыхзависит теплоемкостьОМП и времярадиационногоостывания ОМП.

Наблюдениеобъектов препятствийвсегда выгодновести в зонегоризонта, таккак рост температурыестественныхфоновых ансамблейв этом случаечасто приводитне к ухудшениювидимости ОМП,а улучшениюза счет подсветкиих восходящимтепловым излучениеместественныхфонов.

Величинытемпературныхконтрастовобъектов вразличныхатмосферныхусловиях визированиядля визированияв “горизонт”

Объект	Условиянаблюдения	Яркостнаятемпературафона	Температурныйконтраст
1	2	3	4
Кирпичноеотапливаемоездание	зима,ясно,температураатмосферыТ=-10 С	-15	=8С
Кирпичноездание, отоплениеотсутствует		-15	=5С
Кирпичноездание, отоплениеотсутствует	лето,=20С	+10	=3С
Кирпичноездание отоплениеотсутствует	лето,=16С	+14	=3С
Деревоодиночное	зима,ясно,температураатмосферыТ=-10С	-15	=3,5С
Деревоодиночное	лето,ясно,температураатмосферыТ=-20С	+19	=8С–солн.сторона =4С-тень
Проводаобесточенные	зима,ясно,температураатмосферыТ=-10С	-15С	=4С
Проводаобесточенные	лето,Т=20С,полдень	+19С	=1,5С
Проводаобесточенные	лето,ясно, ночь =16С	+14С	=0,7С
Столбжелезобетонныйдиаметром 30см	лето,ясно,полдень=20С лето,ясно, ночь зима,Т=-10С	+19С +14С -15С	=3С =1,5С =4,5С
Столбдеревянныйдиаметром 30см	лето,полдень, ясно =20С лето,ясно, ночь=16С зима,полдень Т=-10С зима,ночьТ=-10С	+19С +14С -15С -15С -12С	=16Ссолн.сторона=3С-тень =2С =3С =5С
Провода	зима,облачностьсплошная	-12С	=1,5С
Кирпичноеотапливаемоездание	ТемператураатмосферыТ=-10С	-12С	=4С
Кирпичноездание отоплениеотсутствует		-12С	=1С
Столбжелезобетонный		-12С	=1С
Кирпичноездание, неотапливаемое	Лето,облачностьсплошная,температураатмосферыТ=20Сполдень	+19С	=2С

Величинытемпературныхконтрастовобъектов вразличныхатмосферныхусловиях визированиядля визированияв “надир”

Объект	Условиянаблюдения	Яркостнаятемпературафона	Температурныйконтраст
1	2	3	4
Кирпичное отапливаемоездание	зима,температураатмосферыТ=-10 С полдень	-12С	2,5С
Кирпичное отапливаемоездание,	зима,температураатмосферыТ=-10 С ночь	-12С	1,6C
Кирпичноенеотапливаемоездание	зима,температураатмосферыТ=-10С	+12С	-0,3C
Кирпичноенеотапливаемоездание	зима,температураатмосферыТ=-10С	-12С	-0,3 C
Проводаобесточенные	зима,температураатмосферыТ=-10С день зима,температураатмосферыТ=-10С	-12С -12С	-0,7C -0,7С
Столбжелезобетонный	ночь зима,температураатмосферыТ=-10С		0,5С
Столбдеревянный	день,ночь зима,температураатмосферыТ=-10С день, зима,температураатмосферыТ=-10С	-12С -12С -12С	3С 0С 30С
Кирпичнаятруба действующихкотельных	ночь,зима,температураатмосферы=-10С	-12С
Одинокоедерево	день,ночь,зима,температураатмосферыТ=-10С день,зима,температураатмосферыТ=-10С	-12С -12С	1,5 С 0 С

Оптическиематериалы

Вданном разделедадим краткуюинформациюо материалах,которые используютсяразработчикамиОЭС.

Оптическиематериалынеобходимыдля изготовленияфильтров,дифракционныхрешеток , входныхокон, элементовобъективов– зеркал, линз.

Основнымихарактеристикамиоптичекихматериаловследует считать:

показательпреломленияn_и дисперсия(изменения n_по длинам волн);
поглощение,пропусканиеотражение;

физическиесвойства (твердость,растворимость,теплофизическиесвойства).

Показательпреломления

Показательпреломленияоптическихматериаловв общем случаекомплекснаявеличина

,изменяющаясяпо спектру длинволн. Существуетдва типа зависимостейпоказателяпреломленияm_(соответственноn_и к_)от .

а)Материалы снормальнойдисперсией.

Эти материалыимеют хорошеепропусканиев той областиспектра, гдеони применяются.Типичный спектральный ход n_и к_ показанна рис.28

Рис.28

б)материалы саномальнойдисперсией.

Это материалы,которые используютсяв оптическихэлементах вобласти длинволн, прилегающейк спектральнойполосе поглощения.Показательпреломленияздесь меняетзнак, так какпоказано нарис.29

Рис. 29

Отметим,в частности, что материалы,имеющие спектральныеобласти аномальнойдисперсииприменяютсядля изготовленият.н. дисперсионныхфильтров, основанныхна эффектеХристиансена.Суть последнегозаключаетсяв том, что приусловии

и для двух средс n₁ и n₂при величинеn0 вобласти аномальнойдисперсиирассеяние наоднородностипрозрачногоматериала имеетярко выраженнуюселективность– полосу пропускания.

Пропускание,отражение

Показательослабленияk_ в областинормальнойдисперсииопределяетпропусканиематериала(поглощениев нем излучения).

Исходя иззаконов Френеляможно определитькоэффициентотражения R,т.е. отношениеотраженногоизлучения квеличине приходящегопотока излучения.При нормальномпадении

(33 )

Вслучае, еслисреда прозрачна,т.е. k=0

(34)

Принанесении наповерхностьсреды с показателемпреломленияn слоя, имеющегопоказательпреломленияn^,толщиной l,при условии,что n^l=/,коэффициентотражения такойдвухслойнойсистемы определяетсяформулой:

, (35)

изкоторой видно,что Rстановитсяравным нулюпри

Например,для германия(n=4) при=10 мкмпри нанесениислоя сульфидацинка (ZnS) споказателемпреломленияn=2,2и толщинойl=/4n=10/8,8=1,14мкм, коэффициентотражения будетравен:

, т.е. имеет место (36)

эффектпросветления(без просветленияR_Ge= 0,36). Многослойноепросветляющеепокрытие позволяетснизить отражениена границе двухсред в болееширокой спектральнойобласти и такимобразом уменьшитьпотери излученияв рабочейспектральнойобласти ОЭС.

В качествепросветляющихпокрытий используютсяпленки следующихвеществ:

MgF₂– фтористыймагний (n=1,38)

SiO – окиськремния (n=1,6-1,9)

СеО₂ – окисьцерия (n=2,2)

ZnS – сульфидцинка (n=2,2)

AlF₃-NaF-криолит(n=1,3)

Для металлов,т.е. материаловс большим k_

, (37)

гдес – скоростьсвета,

- электрическаяпроводимость,

- круговаячастота.

Из(36) видно, что дляметаллов Rрастет с ростом и .Это обстоятельство,в частности,обращает вниманиена то, что зеркальнаяповерхность,изготовленнаяпутем нанесенияслоя алюминия,меди, серебраи золота, которуюследует характеризовать,прежде всего,величиной R,будет лучшевсего в случаепозолоченнойповерхности,несколько хуже– для серебра,затем для меди,еще хуже – дляалюминия сучетом определяющихэти наиболеераспространенныематериалызеркальныхпокрытий величин.

Физическиесвойства материалов

При выбореоптическогоматериаласледует учитыватьих механические,теплофизические,электрическиеи химическиесвойства. Впервом случае– это преждевсего твердость.Твердостьобычно определяетсякак отношениенагрузки Pк площади Sи имеет размерность давления.

Определениетвердостиважно, когдавыбираетсяматериал дляобтекателейи входных окон,а также длядругих деталей,которые должныподвергатьсяоптическойполировке исохранять своесостояние впроцессеэксплуатации.Из практикиследует, чтотвердостьматериаловуказанныхэлементовдолжна бытьне менее 15. Этокачество должносохранятьсяпри воздействиихимическихреактивов,влажности,температуры.Теплофизическиесвойства важныдля материалов,работающихпри значительныхперепадахтемператур.Здесь следуетоценить теплопроводность,тепловое расширение,удельнуютеплоемкость.

Используемыеоптическиематериалы

Материалы,используемыев оптике, включаютстекла, керамики,природные исинтетическиекристаллы, атакже пластмассыи металлы.

Стеклаи керамика

Большинствостекол прозрачнолишь в области2,7 мкмиз-за сильногопоглощенияионами ОН. Плавленныйкварц имеетдлинноволновуюграницу ~5мкм (далеепоглощение/Si –0/. Используютсяспециальныестекла из алюминатакальция, а такжеполученнаягорячим прессованиемкерамика наоснове фтористогомагния, InS,флюорита (CaF₂),MgO, теллуридакадмия (CdTe) и др.

Кристаллы

НаиболееупотребимымонокристаллыNaCl, CaF₂,сильвин (КСl),AgCl, бромисто-йодистыйкалий КRS(КRS-5) и таллий(КRS-6).

Поликристаллическиеструктуры

Кремний,германий,арсенид галлия.

Пластическиематериалы

Полиметилметакрилат– плексиглас,полиэтилен.

Металлы– алюминий,медь, золото,серебро. На ихповерхностьобычно наноситсязащитное покрытие– SiO (окись кремния).

Примерыхарактеристикоптическихматериалов.

1.Баросиликатныйкрон (SiO₂,B₂O₃,K₂O,Na₂O)

(0,2–2,7, твердость~300,нерастворимв воде.

2.Тяжелыйфлинт (SiO₂,K₂O,Na₂O,РbO)

(0,25–3,0, нерастворим)

3.Плавленныйкварц (SiO₂)

(0,2 –4,2, 460,0, нерастворим).

4.КерамикаZnS

(0,35 – 13,5, 354, нерастворимая).

5.КерамикаCaF₂

(0,2–12,0, 200, слабаярастворимость)

6.КерамикаZnSе

(0,4 –20,0,100-250, нерастворимая).

7.NaCl

(0,21–26,0, 18, сильнаярастворимость)

8.NaF

(0,2–15, 60, умереннаярастворимость)

9.КСl

(0,2–30,0, 8, сильнаярастворимость)

10.KBr

(0,23-40,6 –7, сильнаярастворимость)

11.LiF

(0,12–9, 110, нерастворим).

12.Хлористоесеребро

(0,45–28,0, 0,5, нерастворимо,чернеет поддействием УФ).

13.Германий

(1,8–23,0, 700, нерастворим)

14.Al₂O₃

0,17–6,5, 1700, нерастворим).

15.Кварц– природныйаристал (0,2 – 4,5,741, нерастворим)

16.Полиэтилен

(0,2– 3,2; 35 – 7; 7,5-13, 14-30)

Нетрадиционныеоптическиематериалы наоснове стекла

Общее требованиек оптическомустеклу (ОС) –химическаяи структурнаяоднородность.В новейшихпроизводственныхпроцессахизготовленияОС совершенствуетсятехнология‘золь-гель”,в которойиспользуетсяраствор кремнезёма,однородныйна уровне, близкомк молекулярномус исключениемстадии плавления.Другое направление- управляемоесоздание воднородномоптическомстекле структурно-химическихнеоднородностей,придающихстеклу новыесвойства, вчастности,выделение вобъеме стеклакристаллическойфазы с формированиемкомпозиционногоматериала,который сочетаетсвойства стеклаи кристалла.Это- ситаллы(доля кристаллическойфазы ~ 70…80%), обладающиевысокой механическойи тепловойстойкостью,термостойкостьюи коэффициентомтермическогорасширенияблизким к 0(астроситаллы).Перспективнотакже созданиестекол с микродисперснойполупроводниковойфазой, в которыхконцентрациякристаллическойфазы 1% в связи с малойрастворимостьюполупроводниковыхсоединенийв стеклообразнойматрице. Этикомпозитыобладают, вчастности,фотохромныминелинейно-оптическимисвойствамии создаютсяс добавлениемгалогенидовсеребра и медина основесульфоселенидовкадмия.

Оптическиефильтры

Задачаулучшенияотношениясигнал/шум,выделенияполезной информациина фоне помехне может бытьрешена безпримененияметодов оптическойфильтрации.Т.о. оптическиефильтры – одиниз основныхэлементов ОЭС.

Классификацияоптическихфильтров

Оптическиефильтры с учетомвыделяемойобласти спектраразделяютсяна полосовыеи отрезающие.Для классификациифильтров пофизическомупринципу ихвзаимодействияс излучениемнеобходим учетне только оптическихпостоянныхматериала, нои отношениядлины волныфильтруемогоизлучения кразмерамконструктивныхэлементовфильтра. Лишьв простейшемслучае, когдаоптическийфильтр (ОФ)представляетсобой плоскопараллельнуюпластинку отсоотношенияпоказателейпреломленияи поглощениязависит, какаячасть спектраизлученияпройдет черезпластинку. Приэтом, если пластинкаимеет областиселективногоотражения, тоона можетиспользоватьсякак отражающийфильтр, присильном поглощениив отдельныхучастках длинволн пластинкабудет фильтроватьпроходящееизлучение, т.е.являться поглощающимфильтром.

В том случае,если одно измерениепластинки,например, толщинауменьшается,наступаютусловия, прикоторых становятсясущественнымиволновые эффекты.В частности,если размерыпластинки вдвух измеренияхвелики по сравнениюс длиной волны,а в одном сравнимы,т.е. она обращаетсяв тонкую пленкуи наблюдаетсяинтерференцияволн в отраженноми прошедшемпотоках. Систематаких пленокс соответствующимобразом подобраннымиоптическимипостояннымипозволяетреализоватьинтерференционныйфильтр.

Если дваизмеренияпластинкисравнимы сдлиной волныи она преобразуетсяв полоску илинить, то наступитболее сложныйхарактеринтерференционноговзаимодействияизлучения собъектом –дифракция.Система такихполос, представляющихсобой совокупностьнеоднородностейв поле излучения,составляетдифракционныйфильтр.

Наконец, есливсе три измеренияпластинкисранимы с длинойволны и пластинкаобращаетсяв частицу, формакоторой можетбыть произвольной– то наступаетсамый сложныйслучай взаимодействия– рассеяниеизлучения.Совокупностьчастиц, а такжешероховатаяповерхностьраздела двухсред, размерынеоднородностейкоторых сравнимыс длиной волнымогут служитьрассеивающимифильтрами.Вообще говоря,оптическиенеоднородности,в рассеивающемфильтре обладаютдисперсиейоптическихпостоянных.Если, например,показательпреломлениясовпадает споказателемпреломленияокружающейсреды лишь дляодного узкогоучастка длинволн, то такаясистема фильтруетпроходящееизлучение иназываетсярассеивающимдисперсионнымфильтром. Т.о.спектральнаяхарактеристикаОФ зависит какот спектральногохода оптическихпостоянных,так и от соотношениямежду конструктивнымиэлементамифильтра и длинойволны фильтруемогоизлучения. Внекоторыхслучаях удаетсяиспользоватьоба эти фактора.

ХарактеристикиОФ

Вышеотмечалось,что ОФ разделяетсяна полосовыеи отрезающие.

Полосовыефильтры характеризуют₀(_max),Т_max,полушириной на уровне0,5 Т_max,Т_min вкрыльях, контрастностью

(см. рис.30).

Соответственнодля отрезающегофильтра: T_min,_0,1,_0,1T_max,_0,5T_max,_0,9T_max, _T_maxи их положениев центре.

КрутизнаполосовогоОФ

(38)

Дляполосовых П– образныхфильтров должныбыть заданыграничные длиныволн.

T_min

T_0,1

T_0,5

T_0,9

T_max

Т_мах

Т_мин

_0,1

_0,5

_0,9

_max



_max

Рис. 30

Заметим,что, если областьчувствительностиприемникаизлучения значительношире ОФ, величинаT_minдолжнабыть прослеженаво всем интервале.

Основныетипы оптическихфильтров.

Отражающиефильтры

Здесь должныбыть выделены:

фильтрыдля выделения достаточношироких участковдлин волн,работающиепо методу остаточныхлучей. В такомфильтре используетсяналичие у егоматериалаобласти с резкозаниженнымкоэффициентомотражения. Вэтом случаеорганизуетсясхема, в которойот материалафильтра (кристаллов)после двух–трехкратногоотражения вспектре остаютсятолько те лучи,которые относятсяк областимаксимальногоотражения(схема Уайта).Материалы:LiF, CaF₂,NaCl и т.д. для области>50 мкм.
Диэлектрическиезеркала можноотнести к фильтрам,работающимпо методу остаточныхлучей и образуютсяза счет использованиямногократногоотражения отзеркал, изготовленныхиз многослойныхдиэлектрическихпокрытий.

Фильтрыполного внутреннегоотражения.

Простейшееконструктивноеисполнение:излучение сдлиной волныбольшей чемзазор междупризмами проходитв прямом направлении.С меньшимидлинами волн– отражаетсяот воздушногопромежутка.

Отражениеот дифракционныхрешеток и сеток.
Матированныезеркала –используетсязеркальнаясоставляющаярассеянногоизлучения,амплитудакоторого зависитот дисперсностичастиц наповерхностизеркал.

Поглощающиефильтры

Конструктивно– это пластинки(кристаллические,стекла, оптическаякерамика,пластмассы),а также кюветы,наполненныежидкостью илигазом: жидкостныеи газовые фильтры.

Интерференционныефильтры

Узкополостныеи отрезающиепредставляютсобой пластинуиз оптическогоматериала, накоторую наноситсяпоследовательностьпленок другихоптическихматериалов.Интерференцияизлучения втакой системеиопределяеттребуемыехарактеристикиОФ.

Рассеивающиедисперсионныефильтры

Представляютсобой пластиныоптическогоматериала снанесеннымслоем мелкодисперсныхчастиц с заданнымn()и спектромразмеров.

Комбинированныефильтры –интерференционно-абсорбционные

Закон Бугераприменим примолекулярномпоглощениитолько длямонохроматическогоизлучения.

Оптико-электронные системы

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ(КВАНТОВЫЕ)

СИСТЕМЫИ УСТРОЙСТВА