Оптико-электронные системы

их преимущество по массо-габаритным показателям. Отметим в этом случае и то

обстоятельство, что для формирования диаграммы направленности

радиоизлучения с расходимостью 0,1( на длине волны (=1 м необходимо

антенное устройство с размерами (1((( (100 м), с тех же позиций в

оптическом диапазоне длин волн диаметр формирующего поток излучения

объектива с подобной расходимостью может иметь размеры в десятки мм или

единицы сантиметров.

Частота электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне существенно

выше, чем в радиодиапазоне. Например, в видимом диапазоне частота световых

колебаний в млн раз превышает частоту волн в радио и телевещании. Это

определяет высокую информационную емкость оптического канала. (Напомним,

что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса

частот (((5 Мгц. Поэтому в метровом диапазоне ((=1 м.,(((300 Мгц.) можно

передать лишь около 10 телевизионных программ, в оптическом диапазоне при

том же отношении сигнал/шум – это число возрастает в млн.раз).

Передача информации в оптическом диапазоне осуществляется фотонами,

которые в отличие от электронов – электрически нейтральные частицы, не

взаимодействующие между собой и внешними полями. Это допускает возможность

идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока

информации, высокую помехозащищённость.

К числу других достоинств ОЭС следует отнести возможность двойной

(пространственной и временной) модуляции излучения, а также близкую для

восприятия человеком визуальную форму представления информации. Однако с

представленными преимуществами должен быть назван ряд недостатков

оптического диапазона длин волн, в частности, большее ослабление излучения

в атмосфере, значительное число фоновых помех от естественных и

искуственных источников.

4. Основные энергетические и фотометрические величины.

Простейший вид излучения – монохроматическое, т.е. излучение

характеризуемое очень узким интервалом длин волн. (1- ((1(((( при (((0.

Монохроматическое излучение можно характеризовать и частотой (, причем

связь последней с длиной волны определяет соотношение [pic] (с-скорость

света).*)

Спектральный состав излучения, т.е. распределение электромагнитной

энергии по длинам волн или частотам является как качественной

характеристикой, так и количественной при определении облученности входного

зрачка ОЭС.

Определим основные энергетичекие величины оптоэлектроники:

. Лучистый поток Фе - средняя мощность, переносимая оптическим излучением

за время значительно большее периода электромагнитных колебаний

[pic] [Вт]

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

При расчетах ОЭС особый интерес также представляют:

. Энергетическая светимость (поверхностная плотность излучения) Ме:

отношение испускаемого поверхностью по одну сторону от себя (т.е. – в

полусферу) полного лучистого потока к площади этой поверхности

[pic]

/[pic]/

. Облученность или энергетическая освещенность (плотность мощности) Ее

определяет отношение лучистого потока dФ, падающего на какую-либо

поверхность, к площади этой поверхности dS2

[pic]

. Энергия излучения

[pic]

/[pic]/

* Отметим также широкое применение в оптике (спектроскопии) единицы шкалы

длин волн – волновых чисел [pic]

. Сила излучения [pic] или энергетическая сила света – отношение лучистого

потока dФ к телесному углу [pic], в пределах которого он распространяется

[pic]

. Лучистостью или энергетической яркостью излучающей поверхности в данном

направлении называется отношение измеренной в этом направлении силы

излучения к видимой площади излучающей поверхности

[pic]

Для плоских излучающих поверхностей, имеющих лучистость, одинаковую во всех

направлениях действует закон Ламберта

[pic]

откуда

[pic]

Закон Ламберта справедлив только для АЧТ, а также идеально рассеивающих

поверхностей. Широко известно следствие из закона Ламберта

[pic]

Фотометрические (световые) величины:определяют спектр излучения в пределах

чувствительности человеческого глаза.

. Световой поток

[pic],

где [pic]- максимальное значение так называемого коэффициента видности

[pic], ([pic]= 683 лм(Вт-1)

[pic] - относительный коэффициент видности, спектрально совпадающий с

кривой видности человеческого глаза, максимум которой [pic]расположен в

зеленой области спектра (((0,555 мкм).

Соответственно различают:

. Световую энергию [pic] /1 лм(с=1 тальбот/

. Силу света [pic]

. Светимость [pic] /1лк=1лм(м-2=10-4фот/

. Яркость [pic].

5. Основные характеристики излучателей

Для сравнения различных излучателей целесообразно иметь общий эталон.

Им является черное тело или полный излучатель, имеющий при заданной

температуре для всех длин волн максимально возможную спектральную плотность

энергетической яркости. Черное тело полностью поглощает все падающее на

него излучение независимо от длины волны, поляризации и направления

падения, поэтому обычно говорят об абсолютно черном теле (АЧТ).

Любой реальный излучатель характеризуется коэффициентом излучения

(коэффициентом черноты) ( - отношением его энергетической яркости к

энергетической яркости АЧТ при той же температуре.

. Тепловой излучатель для которого величина ((() не зависит от длины

волны называется неселективным и, наоборот, при условии ( =f(() мы

имеем дело с селективным излучателем (см.рис.1).

. Световым КПД излучателя называется отношение [pic]

. Световая отдача Ксв – это отношение М( к величине энергетической

светимости [pic]

. Яркостная температура – это температура черного тела, при которой

оно имеет ту же спектральную плотность энергетической яркости, что

и рассматриваемое тело (излучатель)

Распределение энергии по спектру длин волн в излучении АЧТ описывает

закон Планка

[pic],

(1)

где С1=3,7415(10-16Вт(м2, С2=1,43879(10-2м(К

Из формулы Планка можно получить выражение для закона Стефана-

Больцмана:

[pic]

(2)

т.е. энергетическая светимость АЧТ определяется его температурой в

четвертой степени ((=5,66971(10-8Вт м-2к-4 – постоянная Стефана-Больцмана).

Экстремум функции (1) определяет закон Голицина –Вина

[pic]

(3)

(( - [мкм], Т-[K])

Как пример применения соотношения (3) можно оценить область максимума

излучения такого тела как планета Земля, средняя температура которой ТЗ(290

К. Видно, что эта величина близка [pic] в то время как [pic]для Солнца

(Т(6000К) соответствует зеленой области видимого спектра.

Рис.1. Зависимость спектрального коэффициента излучения материалов (( от

длин волн. Альб.лист

Для удобства использования в расчётах соотношения (1) в

справочниках представляется единая изотермическая кривая, которая

получается заменой в (1) переменных на [pic].

Чтобы по значениям единой изотермической кривой y(x) вернуться к

кривой Планка необходимо:

. Определить [pic]по (3)

. Определить [pic]

. для выбранных ( определить [pic]

. найти y(x) и в заключение-

. [pic].

Полезно отметить, что для длин волн [pic] величина [pic] изменяется

пропорционально Т, а в области [pic]- увеличивается пропорционально Т5.

Взяв производную [pic], можно найти длину волны [pic], при которой

скорость изменения [pic] максимальна.

В частности,

[pic]

(4)

6. Типовая структура канала ОЭС и основные его характеристики.

Практически для большинства видов ОЭС на стадии создания

разработчикам следует учитывать взаимозависимость (взаимообусловленность)

характеристик, определяющих весь канал функционирования прибора, а именно –

систему “объект-фон–атмосфера-прибор-оператор”. В указанной системе

соотношение яркостей наблюдаемого объекта и окружающей среды (т.е. фона)

или, как принято, их определять, контраст объекта

[pic]

(5)

и его динамика во времени очевидным образом должны учитываться при

определении конструктивных особенностей самой ОЭС.

Контраст объекта деформируется как по спектральному составу, так и по

амплитуде за счёт влияния участка атмосферы, разделяющего объект и входной

зрачок ОЭС. В атмосфере происходит неодинаковое для различных длин волн

поглощение и рассеяние оптического излучения, формирование поля рассеянного

излучения.

ФОН

атмосфера

ОЭС

оператор

Таким образом в системе наблюдения ОЭС-объект необходимо рассматривать

следующие составляющие части трассы визирования:

объект

Непосредственно с ОЭС связаны следующие части оптического канала:

оптическая система (зеркальная, линзовая или зеркально-линзовая), которая

осуществляет формирование изображения наблюдаемого участка пространства,

фотоприемное устройство, которое состоит из приемника оптического излучения

и предусилителя, сигнал с которого подается в электронную систему обработки

и видеоконтрольное устройство.

В последнем случае заключает канал ОЭС оператор, на принятие решения

которым (с этим также следует считаться) влияют свойства зрительного

восприятия (т.е. глаза)- психофизические свойства человеческого мозга.

Количественную оценку свойств и эффективности ОЭС в том или ином

режиме его применения осуществляют с помощью ряда основных характеристик, в

числе которых:

. Пороговая чувствительность – это наименьшая величина потока излучения,

наименьшая величина освещенности, при воздействии которой на входной

зрачок оптической системы прибора, обеспечивается заданная вероятность

выполнения основной функции прибора (обнаружение объекта, точность

слежения, адекватность восприятия изображения и т.д.).

В тех случаях, когда необходимо характеризовать непосредственно

фотоприемник, то говорят об обнаружительной способности – величине обратно

пропорциональной пороговой чувствительности. В практике создания ОЭС,

работающих в тепловой области спектра удобно характеризовать качество

изделия способностью различать минимальную разность температур (( двух

участков наблюдаемого тела. Эта характеристика, типичные значения которой

изменяются в пределах 0,01-0,5(, наиболее информативна и наглядна в

инженерной практике.

Пороговому значению чувствительности естественно соответствует

предельное значение отношения сигнал/шум S/N ОЭС, при котором возможна

работоспособность прибора.

. Дальность действия – определяется порогом чувствительности ОЭС и

характеризует максимальную дистанцию (или определённый диапазон

дистанций), на который при строго определенных внешних условиях

реализуется основная функция прибора.

. Поле обзора – телесный угол с вершиной в центре входного зрачка

оптической системы, в пределах которого реализуется основная функция

прибора, например для систем наблюдения - возможность различать объект.

Для систем сканирующего типа поле обзора формируется как совокупность

мгновенных полей зрения.

. Мгновенное поле зрения – это телесный угол с вершиной в центре входного

зрачка оптической системы, в пределах которого ОЭс фиксирует часть

пространства с заданным пространственным разрешением в данное время (t,

при условии, что обзор всего пространства занимает интервал времени

t0=((t.

. Время обзора t0– время осмотра поля обзора. Иногда задают число кадров-

величину, определяющую телевизионные системы и частоту обновления

информации. Мгновенное поле ОЭС определяется размером входного зрачка и

так как всегда в приборе присутствует полевая диафрагма, её размером и

фокусным расстоянием объектива.

7. Фоны, их общая характеристика

Основные свойства фонов рассмотрим для классов ОЭС, работающих на

естественных оптических трассах в приземном слое воздуха, с авиационных и

космических носителей. Подобный подход означает лишь тот факт, что внимание

будет уделено практике применения ОЭС для наблюдения удаленных объектов.

Практически для всех случаев следует подчеркнуть, что классифицировать

большинство источников излучения (объектов наблюдения) как цель или фон

затруднительно, так как в зависимости от задачи, решаемой ОЭС, один и тот

же объект может быть как фоном, так и целью. Например, облака – фон,

мешающий пеленгации стартующих с поверхности земли ракет и эти же облака –

цель для ОЭС, устанавливаемых на космических аппаратах -спутниках погоды.

Вместе объекты и окружающий их фон образуют поле излучений – фоноцелевую

обстановку (ФЦО), спектральные характеристики которой изменяются в

пространстве и во времени. Для систем обнаружения и распознавания одной из

основных функций является оперативный анализ ФЦО, завершающийся выделением

из шума сигнала реальной цели. Эта задача осложняется тем, что если

источником полезного сигнала является только излучение реального объекта –

цели, то источником шума могут быть излучения как естественного фона, так и

ложных целей, собственное излучение оптической системы, шум приемника и

усилителя сигнала, а также флуктуации параметров всех элементов ОЭС.

Данные в ФЦО необходимы для решения следующих задач –

. создания моделей типовых целей и алгоритмов обнаружения, распознавания и

сопровождения, целей с разделением их по приоритетности;

. управления основными оптическими параметрами объекта для их оптимизации

при создании малозаметных целей, например, по технологии, определяемой в

зарубежной практике как “Стелс-технология”

. имитации и моделирования различных режимов работы ОЭС на стадии отработки

конструкции и, в том числе, в плане решения задачи снижения стоимости

прибора;

. разработки системы идентификации объектов сложной конструкции в

автоматическом режиме за счет фильтрации фона и корреляции путем

сравнения характерных параметров принимаемого изображения и эталона цели.

Объем информации о ФЦО, необходимый разработчикам ОЭС, зависит от

типа и назначения прибора. Например, является ли прибор пассивным или

активным. При этом по мере увеличения средств радиоэлектронного

противодействия, по единодушной оценке, специалистов все шире будут

использоваться комбинированные пассивно-активные многоспектральные ОЭС.

В виде таблицы дадим иллюстративный пример комплексирования различных

диапазонов длин волн для получения требуемой информации о летательных

аппарата.

|ОЭС комбинированного типа из двух |Объект |Информация, которая должна|

|датчиков |обнаружения|быть получена |

|Коротковолновый. + длинноволн. |Факел |Высота полёта цели, |

|ИК диапазон ИК | |величина тяги, состав |

|диапазоны | |топлива |

| |Холодные | |

|Коротковолн. + Видимый |Объекты |Габариты, форма |

|ИК диапазон диапазон | |конструкции, ориентация |

| | |относительно солнца, |

| |Аэродинамич|температура корпуса |

|УФ диапазон + Видимый |еские цели | |

|диапазон | |Состав топлива |

Примеры исходных условий наблюдения:

1. Излучение мощных ракетных двигателей на активном участке полета

сконцентрировано в области 2,7 и 4,26 мкм и характеризуется температурой

(1400 К. При этом сила излучения факела может достигать (1…8)(106вт(ср-1,

что на несколько порядков превосходит силу фонового излучения. На

заключительном этапе активного участка, при разделении головной части

ракеты, двигательные установки отдельных субэлементов существенно

маломощны, сила их излучения 30-100 вт(ср-1, а температура нагрева

поверхности (300 К, что сравнимо с тепловым фоном Земли. В данном случае

удобнее различать такие субэлементы на фоне “холодного” космоса,

температура которого (4 К.

2. В системе УФ/видимый каналы условия наблюдения существенно изменяются –

здесь должны учитываться факторы отражения солнечного излучения корпусом,

минимальный контраст холодной цели в УФ и наличие здесь информационного

сигнала от неё в том случае, если действует двигательная установка (ДУ) /

минимальный контраст цели без ДУ в УФ обусловлен практически полным

поглощением излучения озоном атмосферы в области ( 0,22 мкм и резким

снижением в области длин волн короче 0,3 мкм коэффициентов отражения

современных конструкционных материалов/.

Как уже отмечалось, фоновые образования являются сложными

нестационарными источниками, оптические характеристики которых зависят от

многих причин:

. условий освещения,

. географического положения,

. сезона,

. метеоусловий,

. типа подстилающей поверхности, времени и т.д.

Поэтому наиболее адекватные результаты описания фонов могут быть

получены только на основе статистического анализа экспериментальных данных

с выделением дисперсии, коэффициентов корреляции, средних величин и т.д.

С учетом излучения Солнца и температурного режима естественных

источников излучения на Земле в общем потоке радиации воспринимаемой ОЭС в

диапазоне длин волн (3…3,5 мкм доминирует отраженное излучение - это так

называемая подсветочная область спектра. В области > 5 мкм преобладает

собственное излучение объектов и фонов. Участок длин волн 3-5 мкм –как бы

переходный.

Ниже на рис.2-19 проиллюстрируем энергетические характеристики фонов

типичными примерами в виде спектральных зависимостей изменения яркости

фонов и объектов или составляющих их элементов.

Рис.2 Схематический

спектральный ход яркости оснащенной

Солнцем стороны

Земли, наблюдаемой со спутников.

Пунктирными

кривыми показана яркость абсолютно

черного тела при

температуре 300(С и 200(К.

Рис.3. Спектральная сигнатура фона – поверхности

земли (а) и факела ракетного двигателя (б).

Рис.4. Спектральный состав

отраженной солнечной составляющей

от инверсионного

следа самолета В-57 на высоте 8,5 км

(измерения сверху).

Рис.5. Спектральная

интенсивность излучения факела

в функции длины

волны для пяти типов РДТТ

ракеты “Сатурн”

Рис.6. Спектральный ход яркости облаков и льда

(1-перистые, 2-кучевые, 3-лед со снегом).

Рис.7. Спектральная яркость ясного солнечного

неба в районе Колорадо на высоте 3,3 км,

t=+8(С (различные углы возвышения).

Рис.8 Изотермы факела

турбореактивного двигателя

на максимальной тяге на

уровне моря без

дожигания

и на форсаже.

Рис.9. Поле температур факела ракетного двигателя.

Рис.10. Индикатрисы излучения самолета “В-66”

с

двумя турбореактивными двигателями;

а – в

вертикальной плоскости, в – в горизонтальной.

Рис.11. а,б –

относительная спектральная лучистость для некоторых

фоновых

образований, в- спектральная лучистость типичных

земных фонов при

наблюдении днем: 1-снег, 2 – черное тело 35(С;

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

Рис.12. Пример съемки местности в видимом (а) и ИК(б)

диапазонах.

На рис.12 б видно яркое белое пятно – пленка

нефтепродуктов на воде.

Рис.13. Изображение объекта в области 8-14 мкм

(Виден яркий двигательный отсек).

Рис.14. Тот же объект,

зарегистрированный в области 4-5 мкм:

в изображении:

превалирует яркость факела ДУ

Рис.15. ИК съемка местности на участке

слива в реку промышленных стоков.

Рис.16. Демонстрация эффекта, достигаемого

синтезированием

(объединением) изображений, полученных в нескольких

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

В) 8-13 мкм; Г) – синтезированное изображение.

Рис.17. Некоторые примеры данных по учету

особенностей изменения ФЦО.

Рис.18. Изменение яркости одного и того же объекта

в разных условиях (пример модельного расчета)

Рис.19 Физическое и математическое моделирование в лазерной локации

(ЭПР – эффективная поверхность рассеяния).

-----------------------

hv

hv

hv

Ев

Ен

Страницы: 1, 2