Ю.Г.
Я К У Ш Е Н К О В
ОСНОВЫ ОПТИКОЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Ю. Г. Я К У Ш Е Н К О В
ОСНОВЫ ОПТИКОЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов геодезических специальностей вузов
Москва «Советское радио» 1977
6Ф0.3 Я 49 УДК 621.384.31 Якушенков Ю. Г. Основы оптико-электронного приборостроения. Учебник для вузов. М., «Сов. радио», 1977, 272 с. Излагаются физические основы работы оптико-электронных приборов. Описываются принципы действия и особенности устройства важнейших узлов и элементов оптико-электронных приборов: оптических систем, приемников излучения, электронного канала и др. Рассмотрены способы приема и обработки сигнала, обеспечивающие помехозащищенность всего прибора, а также условия оптимальной фильтрации сигнала в оптической системе и электронном канале. Кратко излагаются методики расчета и выбора основных параметров оптико-электронных приборов, в частности энергетического (светотехнического) и точностного расчета, расчета дальности действия. Книга является учебником для студентов геодезических специальностей вузов. Она может также служить учебным пособием для студентов оптико-механической специальности и быть полезной для инженеров и техников, работающих в области приборостроения. Рецензенты: кафедра оптико-электронных приб.зров Ленинградского института точной механики и оптики (заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор JT. Ф- Порфирьев); кандидат технических наук A. М. Жилкин (заведующий электронно-оптической лабораторией ЦНИИГАИК). Рис. 66, табл. 18, библ. 61 назв.
Редакция
W
©
30401-013 046(01)-77
литературы по вопросам радиоэлектроники
04-/7
Издательство «Советское радио», 1977 г.
космической
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие общей теории оптико-электронного приборостроения, оптики, радиоэлектроники потребовало введения большого объема новых сведений в программы ряда курсов, таких, например, к а к «Геодезическое инструментоведение», «Радиогеодезические и электрооптические измерения». В этой связи во многих дисциплинах оказалось необходимым пересмотреть с о д е р ж а н и е и объем отдельных разделов программы. Появилась необходимость выделить и обобщить разделы, в которых описываются методы, элементы, устройства, являющиеся общими д л я геодезических приборов самого разнообразного назначения. Кроме того, появление ряда новых дисциплин специализации, например курса «Автоматизация высокоточных инженерно-геодезических измерений», т а к ж е потребовало изложения физических основ, основ теории и расчета оптико-электронных приборов ( О Э П ) . Курс «Основы оптико-электронного приборостроения» посвящен изложению общих физических принципов работы оптико-электронных приборов, методов приема и обработки сигнала, используемых в них, основам расчета и оценки измерительных возможностей приборов этого класса. Таким образам, этот курс является общеинженерным техническим курсом для студентов геодезических специальностей. Подробное изложение принципов действия тех или иных конкретных геодезических ОЭП, их конструкция и методика использования в геодезической практике в книге не рассматриваются, поскольку эти вопросы относятся к дисциплинам, читаемым на более старших курсах и формирующим окончательную специализацию инженера-геодезиста. Автор в ы р а ж а е т искреннюю благодарность доц., к. т. н. Ю. М. Климкову, оказавшему большую помощь в работе над книгой, Л . А. Кольбе, принявшей активное участие в подготовке рукописи к печати, а т а к ж е рецензентам — коллективу кафедры оптико-электронных приборов Ленинградского института точной механики и оптики, и особенно зав. кафедрой проф., д-ру т. н. Л . Ф. Порфирьеву и заведующему электронно-оптической лабораторией Центрального научно-исследовательского института геодезии, аэрофотосъемки и картографии к. т. н. А. М. Ж и л к и н у , чьи советы и замечания полностью учтены при написании книги.
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК, ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ В ГЕОДЕЗИИ
Оптико-электронное приборостроение — сравнительно новая отрасль современной науки и техники, получивш а я развитие в последние 15—20 лет. Оптико-электронными принято называть приборы, в которых обработка информации об излучающем объекте сопровождается преобразованием лучистой энергии в электрическую. В этих приборах как оптические, т а к и электронные звенья выполняют основные задачи по преобразованию информации, а не являются вспомогательными, например, узлами подсветки, сигнализации и т. д. З а м е н а глаза наблюдателя приемником излучения в этих приборах позволяет автоматизировать процесс их работы. Однако часто оптико-электронные приборы ( О З П ) являются полуавтоматическими. Первичная обработка информации происходит в оптической системе, приемнике излучения, преобразующем оптический сигнал в электрический, и электронном канале, а индикация или регистрация результата осуществляется визуально. М о ж н о привести много примеров практического использования О Э П . Особенно эффективным оказалось их применение для линейных и угловых измерений, в частности в геодезических измерениях. С автоматизацией процесса измерений повышается точность измерений, устраняются субъективные ошибки наблюдателей, сокращается время измерений. По всем этим признакам ОЭП заметно превосходят оптико-механические приборы, что и обусловило большой интерес геодезистов к ним. 4
Можно привести примеры успешного применения оптико-электронных (фотоэлектрических) устройств в отечественной геодезии, астрономии, аэросъемке. 'Гак. способ фотоэлектрической регистрации моментов прохождения звезд был впервые разработан Н. Н Павловым еще в 1937 г. Свое развитие этот способ получил в работах В. Э. Б р а н д т а и Н. А. Беляева, результатом которых явилось создание и внедрение в практику астрономических наблюдений фотоэлектрического микрометра к универсальному астрономическому инструменту АУ 2"/ Ю". Первый оптико-электронный (электрооптический) дальномер был создан для геодезических целей в 1936 г. сотрудниками Государственного оптического института В. В. Б а л а к о в ы м и В. Г. В а ф и а д и под руководством акад. А. А. Лебедева. Следует отметить приоритет советских ученых и техников, поскольку аналогичные работы за рубежом проводилось только в начале 40-х гг. (Э. Б е р г с т р а н д ) . В середине 50-х гг. в нашей стране начали выпускать промышленные образцы светодальномеров. К настоящему времени эти приборы получили широкое распространение в геодезической практике. Непрерывно продолжается разработка новых светодальномеров, основанная на с а м ы х новейших достижениях оптикоэлектронного приборостроения. Первые оптические квантовые генераторы (ОКГ) были т а к ж е использованы в геодезических (дальномерных) работах. Огромное значение в геодезической практике имеют такие факторы, к а к высокая эксплуатационная надежность, простота прибора и удобство обращения с ним, малые габариты и масса. П о этим признакам О Э П долгое время не могли конкурировать с оптико-механическими приборами 'в сложных полевых условиях эксплуатации. И лишь сравнительно недавно успехи оптикоэлектронного приборостроения создали необходимые предпосылки д л я широкого внедрения этого класса приборов в геодезические работы, что привело к значительным изменениям как в качественном, т а к и в количественном отношении, а в ряде случаев — и к коренной перестройке организации геодезических работ. Следует отметить, что огромный опыт высокоточных измерений, накопленный в геодезии и астрономии, постоянно обогащает оптико-электронное приборостроение, способствуя успешному решению все усложняющих-
ся задач, связанных с повышением точности угловых и линейных измерений в самых различных областях техники, а не только в геодезии. В качестве примера м о ж н о привести оптико-электронные системы астрокоррекции и астронавигации, в которых некоторые инструментальные погрешности заметно уменьшаются в результате применения методических приемов, впервые разработанных и примененных в геодезических измерениях. М о ж н о проследить следующие основные этапы развития оптико-электронного приборостроения, которые характерны, в частности, и д л я геодезических ОЭП. Н а первом этапе, охватывающем период до конца 50-х гг. развитие шло главным образом по пути создания и отработки отдельных элементов этих приборов: приемников излучения, источников света, оптических систем, электронных звеньев. К концу 30-х гг. были достигнуты заметные успехи в создании элементов, работающих в различных областях оптического спектра. Так, в С С С Р под руководством Б. Т. Коломийца, в Германии — П. Герлахом, в Англии — Т. С. Моссом были созданы высокочувствительные фоторезисторы. Одновременно промышленность освоила производство и обработку оптических материалов, прозрачных в широком диапазоне спектра. Успехи прикладной спектроскопии позволили исследовать оптические свойства атмосферы. Объединение элементов в общую схему, т. е. создание прибора, далеко не всегда являлось оптимальным. Отсутствовали достаточно общие методические основы для расчета и проектирования ОЭП, отсутствовала их общая теория. Поэтому д а ж е скромные технологические возможности отдельных элементов не всегда использовались в полную меру. Следует сказать т а к ж е и о разобщенности усилий разработчиков ОЭП. Например, специалисты-оптики мало учитывали опыт разработки аналогичных радиолокационных систем, а специалистырадиотехники, занимавшиеся разработкой ОЭП, не знали специфики оптических систем. Вторая мировая война стимулировала усиленное развитие О Э П военной техники. К концу войны были созданы первые сложные комплексы, работавшие преимущественно в инфракрасной области спектра [29]. Но лишь в конце 50-х гг. появились обобщающие накопленный практический опыт монографии и другие публика-
пии. К настоящему времени опубликовано много работ, излагающих теоретические основы и методы проектирования этого класса приборов. Если раньше, например, расчет основных параметров светодальномера являлся достаточно сложной научной задачей, то с разработкой обобщенных методов энергетического (светотехнического) расчета оптико-электронных систем он может выполняться инженерами-разработчиками. Если не т а к давно точностной расчет оптико-электронных (фотоэлектрических) угломерных устройств основывался во многом на знании разработчиком возможностей аналогичных систем, то теперь мы имеем возможность заранее, для заданных условий работы, рассчитать предельно достижимую точность прибора, а затем рационально распределить допуски на изготовление и сборку между отдельными его узлами. Таким образом, сегодня мы имеем право говорить о новом этапе в развитии оптико-электронного приборостроения — этапе осознания внутренних связей, существующих в этой области науки и техники, их обобщения и практической реализации. Результаты этого уже сказываются и в современной геодезической практике. Отдельной вехой в развитии О Э П явилось создание оптических квантовых генераторов. Наиболее заметные успехи современного оптико-электронного приборостроения связываются именно с их появлением. Такие уникальные свойства излучения ОКГ, как, например: высокая временная и пространственная когерентность, высокая монохроматичность, хорошая направленность, — способствовали успешному решению ряда важных практических задач, в том числе и в геодезии. Однако неправильно было бы отождествлять весь класс оптико-электронных приборов и ОКГ. Более того, быстрые успехи в создании систем с О К Г во многом объясняются тем, что к моменту создания квантовых генераторов уже были разработаны основы общей теории проектирования и расчета ОЭП, а многие приборы были достаточно хорошо отработаны технологически и конструктивно, что позволило успешно сочетать их в едином комплексе с О К Г в качестве излучателя. И сами ОКГ, и приборы на их основе входят в состав более широкого класса приборов — оптико-электронных. Остановимся на тех важных для современной геодезии проблемах, в решении которых существенную роль
должны сыграть ОЭП. Отметим, что во многом эти проблемы тесно связаны между собой, решение каждой из них зависит от решения других, поэтому приведенное ниже деление во многом является условным. Повышение точности угловых и линейных измерений за счет уменьшения внутриприборных (инструментальных) погрешностей. Качество современных деталей и узлов, из которых строятся ОЭП, и опыт их конструирования достигли такого уровня, что у ж е сейчас возможно получить чувствительность к угловым перемещениям визирной цели, оцениваемую сотыми и тысячными долями угловой секунды, т. е. приблизиться к порогу чувствительности, обусловленному фотонной природой излучения. Однако процесс совершенствования отдельных элементов ОЭП отнюдь не закончен. Например, полоса пропускания лучших современных светофильтров все еще слишком велика, чтобы осуществить оптимальную спектральную селекцию почти монохроматического излучения О К Г на фоне других излучений. Непрерывно совершенствуются электрорадиоэлементы, так к а к далеко не исчерпаны возможности их микроминиатюризации, защиты от вредных внешних воздействий (паводок и шумов), уменьшения инерционности и т. п. Начинает успешно решаться з а д а ч а измерения сравнительно больших углов, а не только з а д а ч а точного определения направления на излучатель. Так например, появились сообщения о разработке интерферометрической системы для измерений углов в несколько градусов с ошибками в десятые доли угловой секунды. Применение иптерферометрических систем отсчета совместно с кодовыми отсчетными устройствами, очевидно, является весьма перспективным для получения малых (в доли угловой секунды) погрешностей при измерении больших углов (до 360°). Не менее интересным представляется использование систем оптической локации и пеленгации, основанных на методах квантовомеханической теории связи. Тенденция к автоматизации линейных измерений в геодезии, проявившаяся в создании большого числа светодальномерных систем, будет, очевидно, развиваться и в будущем. Создание О К Г у ж е сейчас позволяет широко использовать свойства когерентного излучения для высокоточных измерений расстояний. Увеличение
выходной мощности ОКГ, освоение новых спектральных диапазонов (в первую очередь средней инфракрасной области спектра — до 13 мкм), возможность получения достаточно мощных и весьма малых по длительности импульсов, наконец, р а з р а б о т к а новых оптических материалов, обладающих хорошим пропусканием, и высокочувствительных и малоинерционных приемников излучения позволяют утверждать, что разработка и внедрение в практику светодальномеров (с погрешностью измерения в доли миллиметра при измерении расстояний до нескольких километров и с относительной ошибкой менее 1 :1 ООО ООО при измерении расстояний в десятки километров) вполне реальны. Весьма актуальной является з а д а ч а повышения помехозащищенности ОЭП, особенно от влияния мощных солнечных засветок. Р а з р а б о т а н н ы е д л я некоторых групп О Э П способы уменьшения влияния помех вполне применимы к геодезическим инструментам. Использование средств спектральной и пространственной селекции в полной мере-позволит, например, повысить эффективность работы светодальномеров днем. Уменьшение вредного влияния атмосферы (ослабления излучения в атмосфере, турбулентности, рефракции). Уже сегодня точность геодезических измерений часто определяется не инструментальными погрешностями, а вредным влиянием среды (атмосферы), в которой распространяется оптический сигнал [59]. Освоение новых спектральных диапазонов (например, участка спектра с длинами волн от 8 до 13 м к м ) , заключающееся прежде всего в создании новых источников, приемников излучения и оптических материалов, позволяет заметно повысить дальность действия О Э П и точность угловых и линейных измерений благодаря меньшему ослаблению излучения в атмосфере и уменьшению вредного влияния солнечной засветки (фона). Расширение спектрального диапазона позволяет также наметить пути реализации инструментальных методов борьбы с рефракцией. Несколько в меньшей степени это относится к вредному влиянию турбулентности атмосферы, приводящей к мерцанию и д р о ж а н и ю изображений. Здесь большего можно о ж и д а т ь от развивающихся методов приема и обработки когерентных оптических сигналов. Нельзя считать исчерпанными возможности по уменьшению этого влияния путем конструк-
TliBiioro совершенствования приборов. Например, уменьшение инерционности приемников излучения и повышение стабильности работы модуляторов позволяет увеличить частоту модуляции сигнала и тем самым снизить влияние мерцания и дрожания. Как известно, эффективный учет влияния атмосферы на точность геодезических измерений путем определения среднеинтегрального значения группового показателя преломления при дальномерных работах и рефракции при угловых измерениях возможен практически только при использовании ОЭП. Высокое спектральное и временное разрешение, большая точность измерений малых угловых и линейных величин, свойственные этим приборам, позволяют найти техническое решение этих важнейших д л я геодезии проблем. Обеспечение нужд развивающейся космической геодезии. При решении больших и весьма сложных задач космической геодезии О Э П должны сыграть решающую роль. Эти задачи тесно связаны с рассмотренными выше проблемами, однако здесь есть и своя специфика. Например, при наблюдении искусственных спутников Земли ( И С З ) и других космических летательных аппаратов ( К Л А ) сейчас очень часто (а в геодезии почти всегда) используются визуальные, фотографические и радиотехнические средства. Думается, что в самое ближ а й ш е е время для этих целей будут гораздо успешнее применяться ОЭП, обладающие большей точностью и оперативностью выдачи результатов измерений, меньшей инерционностью. С повышением точности телевизионных оптико-электронных систем они т а к ж е займут подобающее им место при решении з а д а ч космической геодезии. Хорошо известна та большая роль, которую играют О Э П при исследованиях природных ресурсов, проводимых с борта самолета или КЛА. И з анализа систем, у ж е применяемых на практике для решения этих вопросов, ясно, что их структура, принцип действия, методы расчета те же, что для ОЭП, применяемых сравнительно давно в других областях техники. Поэтому пути развития оптико-электронных комплексов, используемых в космической геодезии, тесно связаны с совершенствованием всего класса ОЭП. Задачи прикладной (инженерной) геодезии. Пожалуй, невозможно отделить проблемы прикладной геодезии
от рассмотренных выше проблем. В самых разнообразных геодезических работах — при уникальном строительстве, разбивке различного рода трасс, наблюдениях за осадками сооружений, створных измерениях, при нивелировании в сложных условиях (например, над водной поверхностью) и многих других — ОЭП у ж е нашли достаточное применение. Автоматическая обработка оптической информации. Огромный объем информации, получаемой при геодезических измерениях, требования по ее скорейшей обработке привели к созданию новых принципов и технических средств, основу которых составляют ОЭП. Их применение оказывается прежде всего эффективным при автоматическом дешифрировании, при создании систем ориентации, основанных на методах оптической корреляции. Создание высокоточных фотоэлектрических отсчетных и следящих систем, разработка быстродействующих модулирующих и сканирующих устройств, быстродействующих приемников излучения, создание О К Г — все это привело к р а з р а б о т к е сложных, но полностью автоматизированных систем д л я обработки оптической информации, т. е. информации, переносимой оптическим излучением и фиксируемой либо фотоприемником, либо телевизионной трубкой, либо фотопленкой. Такие системы успешно работают в сочетании с ЭВМ. В общем плане проблема автоматического дешифрирования является частью более широкой задачи — автоматического опознавания, и если теоретические вопросы, относящиеся к этой проблеме, успешно решаются и апробируются на уровне лабораторных установок, то создание достаточно компактной, экономически эффективной, надежной и простой в эксплуатации системы только еще стоит на повестке дня. И дело здесь не только в совершенствовании отдельных элементов такой системы, но и пока еще в выборе оптимальной структурной схемы. Основные тенденции развития оптико-электронного геодезического приборостроения являются общими для всего современного приборостроения. К ним в первую очередь относятся: — дальнейшее совершенствование параметров и характеристик отдельных элементов и устройств (приемников и источников излучения, оптических узлов, электронных элементов, элементов автоматики);
— повышение эксплуатационной надежности отдельных элементов и приборов в целом; —• микроминиатюризация, особенно в а ж н а я для полевых и бортовых приборов; уменьшение массы, габаритов, энергии, потребляемой отдельными звеньями ОЭП. Н у ж н о отметить, что перспективными с точки зрения применения в геодезии являются не только полностью автоматизированные оптико-электронные комплексы. Д а л е к о не исчерпаны возможности полуавтоматических О Э П и устройств, в которых окончательная (вторичная) обработка информации ведется человекомоператором. Часто их применение является более экономичным и эффективным, чем разработка и эксплуатация более сложного автоматического устройства. Однако тенденции совершенствования их основных узлов — оптико-электронных систем, систем наведения на излучатель, регистрационных систем и т. п. являются теми же, что и перечисленные выше. Таким образом, можно сделать вполне определенный и достаточно общин вывод о том, что пути развития оптико-электронного приборостроения как большой и самостоятельной отрасли современной науки и техники полностью совпадают с путями развития геодезических приборов. Внедрение О Э П в геодезическую практику у ж е позволило советской геодезии решить ряд важнейших задач. Взаимное обогащение геодезии и приборостроения, их тесный союз позволят у ж е в ближайшем будущем полностью реализовать их большие возможности, успешно выполнить намеченные советским народом и Коммунистической партией грандиозные задачи.
1.2. ОБОБЩЕННАЯ СХЕМА РАБОТЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА
Обобщенная схема работы О Э П включает в себя источник (генератор) излучения, оптическую систему, приемник излучения и выходной блок. Источник излучения создает материальный носитель полезной информ а ц и и — лучистый поток, оптическая система формирует этот поток и направляет его на приемник. Приемник излучения превращает сигнал, переносимый лучистым 12
потоком, в электрический сигнал. Выходной блок (система вторичной обработки информации) формирует сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий требованиям исполнительной автоматической или индикаторной системы. На к а ж д о м этапе процесса преобразования информации, к а к правило, ставится цель — к а к можно лучше отстроиться от шумов и помех, сопровождающих полезный сигнал. ....... .
Рис. 1. Обобщенная схема работы оптико-электронного прибора.
Иногда в эту схему включается и сам излучающий или облучаемый извне объект наблюдения, а т а к ж е и среда распространения лучистого потока (некоторая модель этой среды). На рис. 1 представлена обобщенная схема, причем, помимо исследуемого объекта («полезный» излучатель), на ней показаны и возможные на практике «вредные» излучатели (фон, помехи). Взаимное расположение звеньев, указанных на рис. 1, может быть и несколько иным. Отдельные звенья могут представлять собой весьма сложные устройства, например в состав источника излучения могут входить передающая оптическая систем-а, фильтры, модулятор и т. п. Иногда в составе О Э П отсутствуют некоторые из перечисленных выше звеньев. Это определяется, к а к правило, методом работы ОЭП. При активном методе работы (рис. 2,а) исследуемый или наблюдаемый объект II облучается источником /, параметрами которого может управлять оператор, проводящий исследование или наблюдение. При этом имеется возможность наилучшим образом согласовать параметры источника (передающей системы) I, объекта II, среды распространения излучения и приемной системы III. Это в большинстве случаев позволяет повысить помехозащищенность ОЭП, например эффективно отде-
лить полезный сигнал от сигнала помехи. Основным недостатком активного метода является необходимость иметь специальный источник, порой очень сложный, громоздкий и потребляющий большую мощность, что особенно неудобно при работе в сложных метеорологических условиях и на больших расстояниях.
Рис. 2. Методы р а б о т ы оптико-электронных
приборов:
а — активный; б — п а с с и в н ы й ; в — полуактивный.
При пассивном методе работы (рис. 2,6) используется собственное излучение наблюдаемого объекта //, которое и принимает ОЭП III. В целях повышения помехозащищенности здесь приходится особенно тщательно следить за оптимальным согласованием параметров ОЭП, объекта и среды распространения излучения. Отсутствие источника излучения / является большим преимуществом этого метода. Основным его недостатком является сравнительно малая мощность собственного излучения большинства естественных излучателей. При полуактивном методе работы, когда источник I облучает не один, а ряд объектов — / / , II', II" и т. д. (рис. 2,б), как правило, ОЭП III должен выделить сигнал, отраженный от одного из них. Часто параметрами излучения, облучающего объекты, управлять нельзя (например, при использовании естественной освещенности). 1.3. СПЕКТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ. СРАВНЕНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ С РАДИОЭЛЕКТРОННЫМИ
Распределение излучения по длинам волн или частотам принято называть его спектром. В значительной степени условно принято делить спектр электромагнит14
пых колебаний на радиодиапазон (длина волны к меняется от 1 мм до десятков километров), оптический диапазон (Л меняется от 1 нм до 1 мм) и рентгеновский диапазон (Я меняется от 0,01 нм до 1 нм). Весьма широкий оптический диапазон в свою очередь подразделяется на инфракрасную область (от 0,76 до 1000 мкм), видимую (от 0,4 до 0,76 мкм) и ультрафиолетовую (от 1 нм до 0,4 мкм). Инфракрасная область делится на коротковолновый участок (от 0,76 до 1,5 мкм), средневолновый (от 1,5 до 20 мкм) и длинноволновый (от 20 до 1000 мкм). Следует указать, что границы этих диапазонов и участков т а к ж е являются в значительной степени условными и в ряде случаев можно встретить и другое деление спектра электромагнитных волн. Действие ОЭП основано па приеме и преобразовании электромагнитного излучения в различных диапазонах оптической области спектра, т. е. в ультрафиолетовом (УФ), видимом и инфракрасном ( И К ) . Очень часто ОЭП предназначены для решения тех ж е задач, что и однотипные по назначению радиоэлектронные приборы, например определения угловых координат источника электромагнитного излучения (пеленгация) или определения угловых координат источника и дальности до него (локация). М е ж д у этими двумя классами приборов имеется определенная аналогия, поскольку оба они используют электромагнитную энергию как носитель информации. Часто сходны некоторые их конструктивные элементы, и при расчете иногда можно пользоваться аналогичными методами. Однако следует отметить и существенную разницу между ними, возникающую из-за того, что они работают в различных диапазонах частот (длин волн) электромагнитного излучения. Работа на больших частотах и соответственно меньших длинах волн обусловила более высокую разрешающую способность О Э П по сравнению с радиоэлектронными. Действительно, если вспомнить, например, что минимально разрешаемый из-за дифракции угол пропорционален отношению длины волны X к диаметру входного зрачка системы D dx , ТО ЭТО положение легко объяснимо. Отсюда следует принципиально более высокая точность оптико-электронных (оптических) измерении, ограничиваемая разрешающей способностью. Отсюда ж е следует и другое преимущество оптико-электрон-
ных систем, заключающееся в меньших габаритах и массе, поскольку при одинаковых требованиях к разрешению прибора важнейший габаритный размер £>„i у* оптической системы оказывается гораздо меньшим, чем у радиоэлектронной. Следует т а к ж е отметить, что при пассивных методах работы мощность большинства источников излучения гораздо больше в оптическом диапазоне спектра (о законах излучения тепловых источников см. § 2.3). При этом существует и большая возможность опознания вида излучателя по характеристикам его излучения. Новые возможности открылись перед О Э П после создания оптических квантовых генераторов, с использованием которых стало возможным осуществить на практике принципиальное физическое преимущество работы в оптическом диапазоне спектра по сравнению с радиодиапазоиом — гораздо большую информационную емкость оптического сигнала, возникающую из-за несравнимо большей полосы частот, занимаемой оптической частью спектра. Следует указать, что многие методы расчета и проектирования ОЭП при наличии в их составе ОКГ, многие их элементы остаются теми же, что и при использовании «обычных» источников излучения. Эти методы и элементы и описываются в настоящей книге. Специфика ж е систем с ОКГ, достаточно полно изложенная в ряде монографий, например [24, 29, 40], здесь не излагается. Основными недостатками О Э П являются: большое ослабление оптического излучения в мутных средах (например в атмосфере); большое число помех, создаваемых естественными и искусственными излучателями (излучение небесных тел, л а н д ш а ф т а , деталей самого прибора и т. п.). По некоторым эксплуатационным параметрам радиоэлектронные системы до сих пор еще лучше оптико-электронных. Таким образом, сегодня ни оптико-электронные, ни радиоэлектронные приборы не о б л а д а ю т решающими преимуществами, тем более, что в некоторых случаях признаки, отмеченные выше к а к достоинства, могут стать недостатками. Например, большая мощность естественных излучателей в оптической части спектра затрудняет выделение оптическими средствами источника, температура которого незначительно отличается от температуры окружающего фона. В связи с этим в наиболее сложных
случаях обычно создают комбинированные, комплексные системы, включающие как оптико-электронные, так и радиоэлектронные к а н а л ы .
2. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ 2.1. СИСТЕМА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН
П р и любом методе работы О Э П обязательно наличие источника оптического излучения. Источник может находиться на наблюдаемом объекте, м о ж е т сам быть визирной маркой, наконец, может облучать извне наблюдаемый объект. П р е ж д е чем р а с с м а т р и в а т ь виды источников излучения, используемых в О Э П , и их особенности, остановимся на тех п а р а м е т р а х и характеристиках, которыми принято описывать сами источники и генерируемое ими излучение. Простейшим видом излучения является монохроматическое, т. е. излучение, характеризуемое испусканием или распространением электромагнитной энергии в бесконечно узком интервале длин волн Я—(Я + АЯ) при ДЯ—>-0. Монохроматическое излучение может характеризоваться т а к ж е частотой, причем длина волны X и частота электромагнитного колебания v связаны между собой через скорость распространения излучения в вакууме с 0 соотношением: Х=Со/\. В любой среде с показателем преломления п Я=Яо/п. Величины, описывающие монохроматическое излучение, обычно обозначаются индексами А. и v. Основным параметром системы энергетических величин является поток излучения (лучистый поток) — средняя мощность, переносимая оптическим излучением за время, значительно большее периода электромагнитных колебаний. Поток излучения обозначается Ф, O t ., Р . Н а и б о л е е распространенная единица измерения лучистого потока — ватт. Спектральный состав излучения описывается спектральным распределением потока излучен и я — функцией, описывающей зависимость монохроматического излучения Ф е (А) от длины волны (частоты). 2—783
17
Произведение определяет мощность, переносимую потоком в интервале длин волн dk. Таким образом, <»
Ф е = |Фе(я)сй. о Д л я расчета ОЭП особый интерес представляет распределение потока излучения в пространстве, которое достаточно полно описывается следующими величинами. Поверхностной плотностью потока излучения (энергетической светимостью) М е называется отношение потока излучения, испускаемого элементом поверхности по одну сторону от себя, т. е. в полусферу, к площади этого элемента dAi: Ме = (1Фе[йАг[ Вт-м" 2 ]. (2.1) Условимся в дальнейшем индексом 1 обозначать элементы и параметры, относящиеся к излучателю, а индексом 2 — к облучаемому объекту. Энергетической освещенностью (облученностью) Ее называется отношение потока излучения йФ е , падающего на элемент поверхности, к площади этого элемента dA2, т. е. Ее— dOfe/dAz [Вт-м~ г ]. (2.2) Энергетической силой света в данном направлении (силой излучения) называется отношение потока излучения d<5)e, исходящего от источника и распространяющегося в определенном направлении внутри элементарного телесного угла, к этому элементарному телесному углу dQ,, т. е. Ie=dOe/dQ [Вт-ср-1]. (2.3) Н у ж н о отметить, что здесь имеется в виду точечный источник излучения, т. е. тело, имеющее малые размеры по сравнению с расстоянием, на котором рассматривается его действие. Энергетической яркостью излучающей поверхности в данном направлении называется отношение измеренной в этом направлении энергетической силы света к видимой площади излучающей поверхности, т. е. Le = dIJdAlBi[
Вт.ср-'.м-«],
(2.4)
где d/ e 0 j — энергетическая сила света в направлении 6г, dAJS — видимая площадь элемента поверхности dA, в на-
правлении, образующем угол 9i с нормалью к элементу dAi. Т а к как dAM^= dAi cos б,, то U
= dIJdAlCosb,
(2.5)
Д л я плоских источников, имеющих яркость, одинаковую во всех направлениях, справедлив закон Л а м б е р т а , согласно которому сила излучения пропорциональна косинусу угла 01. Д л я поверхностей, подчиняющихся этому закону, Le— dIeJdAl
cos 0i,
откуда dleti=
LedA, cos 0, = die о cos 0i.
(2.6)
З а к о н Л а м б е р т а строго справедлив только для идеально рассеивающих или идеально поглощающих поверхностей. Широко известно следствие из закона Ламберта, по которому устанавливается связь между Мс и Le, а именно: Me=nLe. (2.7) Качественной характеристикой каждой из указанных величин является ее спектральная плотность, определ я е м а я как отношение энергетической величины (освещенности, силы света, яркости), взятой в бесконечно малом спектральном интервале длин волн, к ширине этого интервала. Например, спектральная интенсивность поверхностной плотности потока излучения М } = М(Я) является величиной Ме, приходящейся на интервал X— — (Я + ДЯ) *>. Связь между интегральными и спектральными характеристиками определяется выражениями: Ме = J Mxdl,
М. = dMejdX
о
или оо Le = f LxdX, Lr = dLe/dX о
И т. д. *> Здесь и в дальнейшем для упрощения написания спектральные характеристики излучателей обозначены без индекса е. 2*
19
<о S а^
я к
3 е
•ч Е
•ч
•а ©a -а
я U
О
CQ
оз
О)
•ч;
о
©
Г*
К
о 3 И оIСJ ш и Я
о-
•я о о
О
о
V CL
s гс f? о X Э S S «J 41 S о. я
ш U
и
к
CQ
S
S О 5 03 аО О
«
1 « — F ко О
"в О
О О
£ йВ
«C<J
©
е •а
•ч ©ъ •ч
о СУ
8.
К X
(Я
я
X
аЗ
9
S
IrS т н Я о
£ ' Энергия (лучистая
3
Поток (лучистый
О
С
S s о
к *5> а> > о С П 0J К £ го ь 5 2 s, S « л й а и
т к в-<и « ь. 5 * « S о fe h Оа> О о 5 3 в
Iи1 о2 г2 о' С ч
•ч II II £
м X 13 ^
«Ч 13
Csl
а. j
и 1 S
S *
S J— CQ
•а
лк-с
3
«
•чГ
1
о
CD СО
©
13
Количество освещения (экспозиция)
•а
2
Энергетическое количество освещения энергетическая экспозиция)
ч а
Яркость
а. ч
Энергетическая яркость
С;
Освещенность
а £ N чО
Энергетическая освещенность (облученность)
С - Г aО s S HJ W5 и
Is 0О
13
(Х> а -J
i(О >1
с ——.о
II >•4о
03
о
о
•S
и
-5
II
а*
Существуют и другие энергетические величины, которые используются при расчетах оптико-электронных систем. Энергия излучения (лучистая энергия) Qe= \фе№, (2.8) о где Ф е ( 0 — ф у н к ц и я изменения потока во времени. Единицей измерения энергии излучения является джоуль ( Д ж ) или ватт-секунда ( В т - с ) . Иногда для оценки эффективности лучистого потока вводят понятие энергетической экспозиции (энергетического количества освещения) t
He=^Ee(t)di
[Дж-м~* = Вт-с-м~ г ].
(2.9)
Если оценивать мощность излучения по производимому ею световому ощущению, т. е. реакции человеческого глаза на воздействие лучистого потока, то мы переходим к световому потоку и соответствующим световым величинам. Определения световых величин аналогичны определениям соответствующих энергетических величин. Энергетические и световые, или фотометрические, величины, а такж е их обозначения и единицы Рис. 3. Кривая относительной измерения сведены в табл. 1. спектральной чувствительности Рассмотрим переход от глаза. энергетических величин к световым. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к излучению различных длин волн. Если измерить поток излучения в бесконечно малом диапазоне длин волн X—(А,+ДЯ) для какого-нибудь излучателя и световой поток, т. е. поток, воспринимаемый глазом в том ж е диапазоне спектра, то отношение величины светового потока ФоХ к величине потока излучения ФсХ называется спектральной световой эффективностью (2.10)
Отношение К х для какой-либо длины волны излучения к максимальному значению А ' ) т называется спектральной световой эффективностью VX = V(X) = K J K ^ .
(2.11)
Часто кривую У(Х) называют кривой спектральной чувствительности глаза или кривой видности (рис. 3). Ее максимум соответствует К т = 0 , 5 5 5 мкм. Величину К у , которая устанавливает соотношение между лучистым и световым потоками д л я Х т , называют т а к ж е световым эквивалентом лучистого потока. Численное значение его равно /СХт = 683 л м - В т " 1 . 00
Если лучистый поток определяется как Фе = ^ Ф^сй, о то, очевидно, световой поток 0,76
0,4
или с учетом (2.11) 0,76
ф 0„ == 683 j УХФ>Adl. ял
(2.12)
Пределы интегрирования определяются диапазоном значений / С г Нужно отметить, что не только для глаза, но и для любого селективного приемника излучения, т. е. приемника, обладающего неодинаковой чувствительностью к излучению различных длин волн, оценка эффективности лучистого потока может быть проведена аналогично. Вместо спектральной кривой чувствительности глаза следует взять спектральную характеристику приемника s r Ознакомившись с основными фотометрическими величинами, можно перейти к рассмотрению некоторых соотношений между ними, часто встречающихся на практике. Р а с с м а т р и в а я формулу (2.3) и учитывая, что телесный угол cffii
dA% cos 62/12,
(2.13)
i-де / — расстояние между источником излучения и облучаемым элементом поверхности dAz, расположенным под углом 0 2 к направлению облучения, получаем выраж е н и е д л я энергетической освещенности, создаваемой точечным излучателем: dEe = d®e/dA2 = die cos_02//2.
(2.14)
Определяя отсюда значение d l e и учитывая формулу (2.4), а т а к ж е то, что dQ2~ (dAJl2)cos Оь получаем следующее в ы р а ж е н и е д л я энергетической яркости Le, созд а в а е м о й излучателем dA y в месте расположения dA 2 по направлению от dAl к dAo: dEeojdQ 2. Д л я небольших углов Д£2г при L, e делах^ДЙг Ee — LeAQz-
= const в пре(2.15)
В любом расчете оптико-электронной системы следует п р е ж д е всего учитывать пространственное распределение энергетических или фотометрических величин. Если, например, известно распределение силы света 1 г в пределах телесного угла Q, то, очевидно, поток Ф 0 = f/ 0 (Q)dQ. (2.16) Q
Однако этот закон распределения не всегда известен, поэтому в практических расчетах иногда используют понятие о средних значениях энергетических и световых величин. Средним значением силы света называется величина / о с р = Ф „ / Й = J/ 0 (Q)dQ/Q,
(2.17)
т. е. отношение потока, испускаемого в пределах телесного угла, к величине этого угла. Аналогично определяются и другие величины, например средняя светимость Л1гер=Фв/А = \ А Ц А ^ А / Л ,
(2.18)
А,
средняя яркость в направлении 0i ^ c p
e
= V H ^ . c o s e ,
(2.19)
2.2. СИСТЕМА АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ЗВЕЗДНЫХ ВЕЛИЧИН
Очень часто ОЭП, например устройства автоматических телескопов, астрографы, средства звездной ориентации, работают по источнику — звезде. Поэтому необходимо учитывать специфику таких случаев и уметь переходить от описанной выше системы единиц к единицам, принятым в астрономии и астрофизике [30]. Система фотометрических величин, принятая в астрономии, основана на понятии «звездная величина». Звездная величина, обозначаемая обычно т , определяет блеск звезды. Блеском называется величина, применяемая при визуальном наблюдении удаленного точечного источника и измеряемая освещенностью, которую создает источник в плоскости зрачка наблюдателя, перпендикулярной лучам. Деление звезд на группы по их звездным величинам произошло задолго до установления рассмотренной выше системы фотометрических величин. Поскольку ощущение блеска звезды является субъективным фактором, желательно установить связь между изменением этого ощущения и объективным изменением количества света, попадающего в глаз. Психофизические исследования человеческого глаза показали, что субъективное ощущение (например, кажущийся блеск звезд) изменяется в зависимости от объективного изменения освещенности по закону Погсона: т—т0=—2,51
g (Ev/Ev0),
(2.20)
где т и т о — звездные величины двух небесных источников (звезд), a Ev и Ev0 — соответствующие им освещенности. Коэффициент 2,5 был определен по измерениям освещенностей от двух звезд, отличающихся на одну звездную величину. Принято обозначать звездную величину индексом « т » , например," 1 т ,3, 9 т Д —5 т ,1, 1 т , 2 и т. п. В соответствии с формулой (2.20) отношение освещенностей, создаваемых звездами со звездными величинами, разнящимися на I"1, равно 2,512 (действительно, lg2,512 = = 1/2,5). Специальными измерениями было установлено, что освещенность Е^, равную одному люксу, создает звезда т
0
= ~ 13™,75±0 т ,03,
(2.21) 25
если ее р а с с м а т р и в а т ь за п р е д е л а м и земной атмосферы, и звезда величины т о = —14™,01 ± 0 т , 0 4 ,
(2.22)
если ее р а с с м а т р и в а т ь на уровне моря. Р а з л и ч и е в величинах т0 объясняется потерями света в земной атмосфере, т. е. д л я создания Е 0 = 1 л к на уровне моря «требуется» более я р к а я звезда. Д л я в ы р а ж е н и я поверхностной яркости в астрофизике часто используют звездную величину, приходящуюся на телесный угол в одну к в а д р а т н у ю секунду. Воспользовавшись ф о р м у л а м и (2.20) и (2.22), м о ж н о найти связь м е ж д у этой единицей и принятой в фотометрической системе единицей яркости. Подставив в (2.20) значения п о ^ ^ — 1 4 т , 0 и Evq— = 1 лк, с учетом выведенного в ы ш е соотношения (2.15) д л я малых углов получим т + 1 4 ж , 0 = — 2 , 5 1 g (L„AQ/1 л к ) . П р и в е д я величину т и соответствующую ей освещенность к единичному телесному углу AQ в одну квадратную секунду и имея в виду, что 1 л к = 1 к д - м _ 2 - с р , получим m n p ~ — 1 4
т
— 2 , 5 1 g
(Lp/4,255-1010)
или тпр^12*4-2,51 g U
(угл. с)" 2 .
(2.23)
10
Значение 4,255-10 есть число к в а д р а т н ы х секунд в одном стерадиане. В качестве примера использования этой формулы рассчитаем поверхностную яркость Солнца в астрофизических единицах. К а к известно, яркость Солнца составл я е т 1,5-10 9 кд-м~ 2 , что эквивалентно: 12 m ,4—2,51g (1,5-10 е )
10™,5 (угл. с ) - 2 .
( В и з у а л ь н а я з в е з д н а я величина Солнца равна —26 т ,8.) Яркость ночного безлунного неба в зените Lv— = 10- 4 кд-м-2 или mnp«12m,4—2,51g ( 1 0 - 4 ) = 2 2 т , 4 -2 (угл. с ) . Другой распространенной в астрофизике единицей является а б с о л ю т н а я з в е з д н а я величина М, которая соответствует освещенности, создаваемой звездой, находящейся на некотором фиксированном расстоянии I. Это расстояние равно 10 пс ( п а р с е к а м ) . Согласно закону 26
квадратов расстояний Ev—Iv/l2 абсолютная звездная величина М является, по сути дела, эквивалентом силы света Если прологарифмировать выражение E V =1J1 2 для значения / = 1 0 пс=3,086-10 1 7 м, то с учетом (2.20) и (2.22), где £ „ 0 = 1 л к и т 0 = — 14 т , можно получить формулу перехода от абсолютной звездной величины небесного источника излучения к его силе света: lg£„=0,4(AI+14«)=lg/e-21gf или l g / „ = 29,4—0,4М.
(2.24)
Например, вычисленная по этой формуле сила света Солнца, для которого Af = 4,84, составит /« = 3,07Х ХЮ 2 7 кд. Силу света звезды, выраженную в долях силы света Солнца, принято называть в астрономии светимостью L (следует отличать эту величину от приведенной в табл. 1 светимости М). П о л а г а я светимость Солнца L равной единице, после применения закона Погсона получим для звезды с абсолютной звездной величиной М: lg L = 0,4(4,84—М).
(2.25)
2.3. ТЕПЛОВЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Излучение, возникающее в результате теплового возбуждения частиц вещества (атомов, молекул, ионов и пр.), называется тепловым. Тепловой излучатель, имеющий при заданной температуре для всех длин волн максимально возможную спектральную плотность энергетической светимости, называется черным телом или полным излучателем. Черное тело полностью поглощает все падающие на него излучения независимо от длины волны, поляризации и направления падения. Технически большой интерес представляет возможность построения прибора, который обеспечивал бы возможно более точное воспроизведение излучения черного тела. Точность конструктивного осуществления такой модели определяется приближением ее коэффициента поглощения к единице. Наибольшее распространение получила модель черного тела в виде замкнутой полости с малым отверсти-
ем, например ш а р а диаметром D с отверстием днвме1?ром d < ^ D (рис. 4). Если площадь отверстия мала по сравнению с общей поглощающей поверхностью ш а р а , то любой луч, прошедший внутрь, при многократных отражениях будет практически полностью поглощаться. В качестве модели полного излучателя может быть использована т а к ж е клиновидная или коническая полости, причем излучение их будет тем б л и ж е к излучению черного тела, чем большее число отражений испытывают лучи внутри полости. Если число отражений свести к бесконечно большому, то излучение полости будет в точности равно излучению черного тела. При любом значении коэффициента отражения материала, меньшем единиРис. 4. Модель полного
цы, и при
бесконечно
большом
излучателя.
числе отражений коэффициент отражения всей полости равен нулю а коэффициент поглощения — единице. Число отражений определяется углом клина или полости. С уменьшением этого угла число отражений возрастает. Черное тело является идеальным ламбертовым (косинусным) излучателем. В практике оптико-электронных приборов очень часто следует учитывать тот факт, что любое тело, в том числе и газ, имеющее коэффициент поглощения на единицу толщины слоя меньше единицы, при увеличении толщины слоя до очень большой величины излучает как черное тело. Примером действия такого полного излучателя является излучение Солнца через хромосферу. Хотя хромосфера представляет собой газ, ее толщина достаточна, чтобы почти полностью поглощать излучение Солнца. Поэтому, будучи нагретой, она излучает как черное тело. То ж е относится и к излучению атмосферы в спектральных областях поглощения ею инфракрасных лучей (например, в диапазоне длин волн около 2 , 7 м к м ) . Если излучение какого-либо источника на этой длине волны почти полностью поглощается атмосферой, то сама атмосфера излучает к а к черное тело в этом диапазоне. Тепловой излучатель характеризуется коэффициентом излучения (коэффициентом черноты) е — отношени-
ем энергетической светимости тела к энергетической светимости черного тела при той ж е температуре, а также коэффициентом направленного излучения, являющимся отношением энергетической яркости тела в некотором направлении к энергетической яркости черного тела при той ж е температуре. Тепловой излучатель, спектральный коэффициент излучения которого в рассматриваемой области спектра не зависит от длины волны, называется неселективным. Неселективный излучатель, спектральный коэффициент излучения которого меньше единицы, называется серым излучателем. Излучатель, спектральный коэффициент излучения которого в рассматриваемой области спектра зависит от длины волны, называется селективным. Примером таких тел является вольфрамовая нить лампы накаливания. Селективным характером излучения обладают и вещества, которым свойственны селективные отражательная способность и прозрачность. Степень селективности может быть определена, если известны оптические характеристики вещества. Важно отметить, что для большинства диэлектриков поглощательная способность растет с увеличением длины волны падающего излучения Я. Это накладывает известные ограничения на выбор материалов оптических систем для работы в длинноволновой области спектра. Поглощательная способность а меняется т а к ж е и в зависимости от угла падения лучей на вещество, однако это изменение практически не столь сильно сказывается, как зависимость а от Я. Для металлов справедливо соотношение а х --= 0,365 X W
1/°эЯ,
где
оэ — электропроводность
(м-Ом" 1 -мм -2 );
Я — длина волны падающего излучения (мкм). Рассмотрим кратко основные законы излучения, свойственные черному телу. Закон Кирхгофа определяет соотношение между излучением и поглощением теплового излучателя, а именно: в точке поверхности теплового излучателя при любой температуре и любой длине волны спектральный коэффициент направленного излучения для заданного направления равен спектральному коэффициенту поглощения для противоположно направленного неполяризован-
ного излучения. Иначе, чем больше тело энергию, тем больше оно ее излучает, т. е.
поглощает
где М х чт — спектральная плотность поверхностной плотности излучения черного тела; а х — спектральный коэффициент поглощения. В соответствии с законом сохранения энергии для любого тела «х + Рх + ^ х ^ 1 ' где рх и т х — коэффициенты отражения ^ п р о п у с к а н и я соответственно. Поэтому для непрозрачных тел с т х = 0 а х = = 1 — р х , т. е. по закону Кирхгофа тела с хорошей отражательной способностью являются плохими излучателями. Закон Стефана — Больцмана определяет связь между энергетической светимостью черного тела и его температурой, а именно: энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры, т. е. Ме=аТ\ -8
2
(2.27) 4
где а = 5 , 6 6 9 7 - Ю Вт-м~ -К~ — постоянная Стефана — Больцмана. Д л я любого излучателя X
ХГ
X чт»
где ех т — спектральный коэффициент излучения данного тела. Д л я серого тела е х г = /(7^) = е т , Мест= Величина ет сильно зависит от характера поверхности и материала излучателя. Вид обработки этой поверхности во многом определяет ее излучательную способность. Например, для гладкого листа алюминия Б42ок = 0,08, а для того ж е листа, обработанного наждаком, е ш к — 0 , 7 0 . Строго говоря, в природе нет серых тел, однако в пределах сравнительно узких спектральных диапазонов многие тела могут рассматриваться к а к серые. Это положение часто используется при расчетах ОЭП.
Закон Планка. З а к о н Стефана — Б о л ь ц м а н а описывает излучение количественно, не указывая, к а к распределена энергия по спектру длин волн, т. е. не дает качественной характеристики лучистого потока. Р а с с м а т р и в а я элементарные частицы вещества как источники электромагнитных колебаний, П л а н к установил, что энергия этих частиц может принимать только дискретные значения, различающиеся на величину s=hv, где v — частота колебаний; /г=6,625-10~ 3 4 Д ж - с — постоянная П л а н к а . С использованием этого соотношения была выведена следующая формула, н а з в а н н а я законом П л а н к а : М е (Х, Т) = CiX -5 [ехр (С 2 ДГ) — l ] - i , 16
2
(2.28)
2
где Ci = 3,7415-10Вт-м ; С 2 = 1,43879-10~ м - К . При %Т< 3000 м к м - К для практических вычислений формулу (2.28) можно представить в виде MeX = CtX's ехр (— Сг(ХТ).
(2.29)
И з формулы закона П л а н к а можно получить выражение для закона Стефана — Б о л ь ц м а н а . Действительно, если проделать соответствующие преобразования, то получим ' оо
Ale = f Me. dX = О7\
(2.30)
Если задаться целью определить длину волны излучения, соответствующую максимуму кривой, т. е. найти экстремум функции М е К , то получим т а к называемый закон Голицына — Вина: Х т = 2 8 9 8 / Г [мкм].
(2.31)
Н а практике часто закон Голицына — Вина используется в следующем виде: Ят=3000/Г.
(2.32)
Закон Голицына — Вина указывает, что с увеличением температуры излучателя максимум излучения сдвигается влево по спектру, поэтому этот закон называется т а к ж е законом смещения. Формула П л а н к а может быть представлена графически в виде т а к называемых кривых П л а н к а (рис. 5), что чаще на практике более удобно. Р а с с м а т р и в а я эти кривые, можно заметить, что кривая для какой-либо температуры л е ж и т ниже кривых для больших температур,
т. е. на любом участке спектра полный излучатель с более высокой температурой дает больше лучистой энергии, чем полный излучатель с меньшей температурой. Интегрируя | выражение для М еХ в пределах от 0 до Хт, получаем V , М ' е = j M e -dX = - ^ < , T \ (2.33) о Мак
т. е. в коротковолновой части спектра (относительно km) черное тело дает только одну четверть всей энергии, а основная доля приходится на более длинноволновый диапазон. При расчетах О Э П очень часто приходится пользоваться кривыми П л а н к а . Д л я упрощения этих расчетов удобно рассматривать единую изотермическую кривую, получающуюся путем замены в формуле П л а н к а переменных к и МеХ новыми переменными: x = XjXm,
y==]MJM^m.
При этом формула П л а н к а принимает следующий вид: у= 142,32х~ 5 [exp (4,9651/jc) — 1]-*.
(2.34)
Единая изотермическая кривая представлена ня рис. 6. Д л я того, чтобы от нее вернуться к кривой Планка д л я данной температуры Т, необходимо: 1) определить Хщ=2898/7 [ м к м ] ; 2) определить М А •= 1,2864- Ю - ' Т * [ В т - с м " ' ] ; 3) для выбранных значений А, определить x=X/hm', 4) по единой изотермической кривой найти у; 5) определить соответствующие^ каждому значению X значения МеХ = М, у.
В настоящее время имеются специальные таблицы функций П л а н к а , с помощью которых можно найти полную энергию, излучаемую в данном спектральном диапазоне, длину волны, соответствующую максимуму монохроматического излучения, число квантов в излучении черного тела и ряд других данных [8]. Приведенные выше соотношения не позволяют полностью описать излучение без дополнительных данных о пространственном распределении лучистого потока. Выше говорилось об источнике, имеющем одинаковую яркость по всем направлениям. Такой излучатель часто называют ламбертовым, поскольку он подчиняется закону Л а м б е р т а . И з л у ч а ю щ а я поверхность, которая 3-783
33
точно подчиняется ему, является идеальным диффузным излучателем. Выше было приведено соотношение между облученностью Ее и яркостью излучателя Lc. Подобное ж е соотношение существует и между Le и Ме, что позволяет значительно упрощать расчеты, если источник излучения подчиняется закону Л а м б е р т а . Эти соотношения действительны не только д л я интегральных величин, но и д л я монохроматических, например: M eX = *L eX .
(2.35)
Нагретые тела не могут быть такими ж е источниками излучения, к а к идеально черное тело, т а к к а к их коэффициент излучения не равен единице на всех длинах волн. Следовательно, реальный излучатель будет излучать меньше энергии, чем черное тело при той ж е температуре. Д л я расчетов энергии излучения, испускаемой серыми и селективными излучателями, удобно воспользоваться эквивалентными им полными излучателями, поскольку все параметры излучения последнего могут быть определены по известной его температуре. В качестве признаков эквивалентности применяются яркость, цвет или энергетическая светимость, в соответствии с которыми введены понятия о яркостных, цветовых и радиационных температурах тел. Яркостная температура — это температура черного тела, при которой на какой-либо длине волны оно имеет ту ж е спектральную плотность энергетической яркости, что и рассматриваемое тело. И з определения черного тела и данного определения ясно, что яркостная температура всегда меньше реальной температуры тела. Температурой распределения называется температура эквивалентного черного тела, при которой излучение данного тела в видимой части спектра практически идентично излучению черного тела с той ж е температурой, т. е. ординаты их спектрального распределения яркости пропорциональны. Температура черного тела, при которой его излучение имеет ту ж е цветность, что и рассматриваемое излучение, называется цветовой. Цвет о в а я температура может быть больше или меньше фактической температуры тела, она может меняться с изменением этой фактической температуры. Например, цветовая температура голубого неба 7 = 2 5 0 0 0 К. Строго говоря, понятие цветовой температуры применимо только к тепловым излучателям. Д л я неба излучение 54
обусловлено молекулярным рассеянием, а не нагревом, так что этот термин здесь является условным. Следует т а к ж е отметить, что некоторые селективные излучатели на отдельных участках спектра могут рассматриваться как серые или д а ж е черные тела, т. е. к ним эти термины вполне применимы. На этих ж е участках, представляется возможным использовать их д л я моделирования черного тела. Д л я того чтобы сравнить интегральные величины излучения черного тела и селективного излучателя, введено понятие «радиационная температура», под которой понимается температура черного тела, имеющего такую ж е суммарную (по всему спектру) энергетическую светимость, к а к и данный селективный излучатель. На использовании понятий «яркостная» и «цветовая» температуры основан ряд приборов, с л у ж а щ и х д л я определения температуры излучателей, т а к называемых яркостных и цветовых пирометров. Методы, используемые при пирометрических измерениях, могут быть применены при решении ряда в а ж н ы х в практическом отношении задач. Рассмотрим в качестве примера случай определения цветовой температуры излучателя. Если цветовая температура наблюдаемого излучателя Тц, то соответствующие спектральные интенсивности лучистости эквивалентного черного тела с Т=ТА на любых двух длинах волн на основании законов теплового излучения для \Т< < 3 0 0 0 м к м - К могут быть в ы р а ж е н ы к а к (2.36)
Спектральные интенсивности яркости излучателя при яркостных температурах Ti0 и Г2о на длинах волн и Яг равны (2.37)
Согласно определению цветовой температуры отношение L x при какой-то цветовой температуре тела Т и опрез*
деляетс наследующим образом:
или после логарифмирования
где А, = 51n
= const; Bi == С, (J^-—
= const.
Таким образом, измеряя логарифм отношения яркостей объекта на каких-либо длинах волн (для ЪТ< < 3 0 0 0 м к м - К ) , можно легко определить его цветовую температуру. По этому принципу, зная приборные постоянные Ai и Bi, можно проводить опознавание какоголибо излучателя с известной Тц среди других излучателей с отличными от Гц цветовыми температурами, например, осуществить автоматическое спектральное дешифрирование в процессе съемки местности. 2.4. ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ, ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
Д о л г о е время электрические л а м п ы накаливания были едва ли не единственными источниками, используемыми в геодезических инструментах. Появление сначала газоразрядных ламп, а затем оптических квантовых генераторов и светодиодов нарушило эту монополию. Все ж е в настоящее время лампы накаливания применяются на практике достаточно широко, хотя часто и не для выполнения основных, принципиальных задач, стоящих перед прибором. Широкому распространению л а м п накаливания способствует их дешевизна, неплохие эксплуатационные качества (высокая надежность, простота включения, достаточно большой срок службы и т. д.), большая промышленная номенклатура, возможность изменения энергетических параметров л а м п путем изменения питающего напряжения. Электрические лампы накаливания имеют обычно излучающий элемент в виде нити или спирали из вольфрама, который является селективным излучателем. Энергетическая светимость его может быть вычислена по
формуле: Ме=
•хгоГ*=
[1 -
ехрфТ)]оГ,
где о = 5,67- Ю _ 8 В т - м " г - К " 4 ; § = 1 , 4 7 - Ю ^ К " 1 . При увеличении Т коэффициент излучения вольфрама е х г стремится к единице. Это позволяет использовать в расчетной практике законы излучения черного тела путем ввода понятий цветовой, яркостной температуры и др. В а ж н ы м и параметрами, с л у ж а щ и м и для оценки эффективности различных искусственных излучателей, в частности л а м п накаливания, являются энергетический к. п. д. излучения — отношение потока излучения, испускаемого в каком-либо спектральном диапазоне, ко всему потоку излучения, а т а к ж е световая отдача — отношение светового потока ко всему лучистому потоку, испускаемому источником (или ко всей потребляемой им мощности). Следует отметить, что световая отдача увеличивается при увеличении напряжения питания, а следовательно, и температуры тела н а к а л а . Однако при увеличении напряжения увеличивается потребляемая мощность, и срок службы лампы резко сокращается. Д л я увеличения срока службы л а м п ы целесообразно уменьшать напряжение питания, при этом значительное увеличение срока службы окупает небольшое уменьшение величины светового потока. Расчетные соотношения и графики для этих случаев приведены в литературе, например [12, 57]. Д л я стабилизации параметров л а м п накаливания перед установкой их в прибор рекомендуется производить «тренировку» (отжиг) л а м п ы при номинальных режимах в течение 5—10% от общего срока службы. Д л я увеличения светоотдачи и срока службы колбы некоторых ламп накаливания заполняют газообразными соединениями галогенов. Присутствие галогена заметно уменьшает осаждение распыленного вольфрама на внутренней поверхности колбы лампы, что снижает ее потемнение, а главное, высокое давление уменьшает скорость испарения вольфрама, что позволяет увеличить - пературу т е л а н а к а л а и к а к следствие светоотдачу, качестве наполнителей И С П О Л Ь З У Ю Т С Я пары иода, соединения брома (дибромметан, бромоводород). В лите-
ратуре приводятся сведения о п а р а м е т р а х галогенных ламп, выпускаемых отечественной промышленностью. Их светоотдача достигает 26—27 л м - В т - 1 , срок службы — нескольких тысяч часов, габаритная яркость — ЗОХ ХЮ6 кд-м-2. В каталогах ламп накаливания, выпускаемых нашей промышленностью, можно найти л а м п ы самых различных типов: приборные, автомобильные, прожекторные, кинопроекционные и многие другие, отличающиеся размерами, формой тела н а к а л а , сроком службы, диаграммой распределения силы излучения и т. п. В табл. 2 в качестве примера приведены параметры некоторых часто используемых на практике ламп. Н е б о л ь ш а я световая отдача л а м п накаливания, больш а я тепловая инерционность тела н а к а л а , не позволяющ а я модулировать их излучение д а ж е с относительно небольшой частотой питающего напряжения, и ряд других недостатков этих л а м п стимулировали появление большого числа газоразрядных ламп. В этих источниках используется излучение газов или паров металлов, возникающее при прохождении через них электрического тока. Параметры некоторых Номинальные световые и электрические параметры Тип лампы юпряжение,
в
мощность, Вт
осевая сила J света, кд
световой поток, лм
220
300
2800
К12—40 СЦ-62 СЦ-61
12 12 8
40 100 20
750
ОП6-25+25 А 12-80 ОП-13-50
6 12 13
25 80 50
312 1440 1500
90 15 1000
1980 210 26000
НЗК 220-300
КИМ 10-90 КГМ 6-3-15 КИМ 220-1000-1
10 6,3 220
—
1750 250
—
Б о л ь ш о е число г а з о в или п а р о в м е т а л л о в , в которых можно получить достаточно мощный р а з р я д , позволило создать много разновидностей г а з о р а з р я д н ы х л а м п , которые о т л и ч а ю т с я друг от д р у г а к а к спектром излучения, т а к и конструктивным о ф о р м л е н и е м . К числу общих достоинств этих источников м о ж н о отнести б о л ь ш у ю световую отдачу, т а к к а к путем подбора г а з а и условий р а з р я д а м о ж н о сосредоточить н а и б о л е е м о щ н ы е линии излучения в видимом д и а п а з о н е , а т а к ж е в о з м о ж н о с т ь получения очень больших значений силы излучения и яркости. В р я д е случаев у д а е т с я и с п о л ь з о в а т ь цепь пит а н и я л а м п ы д л я м о д у л я ц и и потока, испускаемого ею. К н е д о с т а т к а м г а з о р а з р я д н ы х источников относятся сложность схем включения, небольшой срок с л у ж б ы , большие по с р а в н е н и ю с л а м п а м и н а к а л и в а н и я г а б а р и ты и д р . П о в р е м е н н о м у х а р а к т е р у излучения эти источники обычно п о д р а з д е л я ю т на л а м п ы непрерывного излучения и импульсные л а м п ы . П е р в ы е р а б о т а ю т от сети постоянного или переменного тока, вторые используются в импульсном р е ж и м е , причем чем б о л ь ш е частота вспышек, тем меньше их мощность. Таблица
2
Габариты (наибольшие), мм лампы диаметр
тела накала длина
ширина
127
185
—
94 56 21
140 91 56
48 2,8
26 36 19
47 60 57
10,75 6 14
45 30 100
высота
—
2 —
Срок службы, ч
ламп накаливания
Г Примечание
1500
Зеркальная лампа направленного излучения
800 75 100
Имеет крытие
зеркальное по-
100
Лампа с двойной нитью
200 200 50
Галогенные лампы
—
1,9 1,0 3,5
3.5 1.6 4,0
Параметры некоторый Номинальные световые и электрические параметры Тип лампы
напряжение сети, В
мощность, амшпр-удная сила света, Вт *Д
ДКсШ-200 ДКсШ-1000 ДКсШ-ЗООО ДАЦ-50
70 45—65 60 220
200 1000 3000 50
ИСШ-15 ИСШ-100-3 ИСК-250
450 4500 450
15 100 250
* В таблице приведены значения яркости.
яркости
Яркость*, кд-м" 2
Длительлость вспышки, МКС
90-10 е (180—450). 10е 500 30
4-10 3 106 10е в
1,5-10» 10" 9-Ю 8
1,5 2,5 300
центре газового разряда или амплитудной
Среди л а м п непрерывного действия, используемых в ОЭП, можно отметить ртутно-кварцевые лампы высокого давления, циркониевые лампы и неоновые лампы тлеющего р а з р я д а . Ртутные и ртутно-кварцевые лампы высокого давления излучают энергию в относительно широком спектральном диапазоне. Яркость и х ' р а з р я д ного промежутка велика, например, у лампы ДКСШ-ЗООО она достигает 5-10 8 к д - м - 2 . Эти л а м п ы требуют осторожного обращения, т а к к а к давление в их колбе достигает нескольких десятков атмосфер, и они являются взрывоопасными. В некоторых геодезических О Э П применяются циркониевые лампы типа Д А Ц , потребляющие сравнительно небольшие мощности. П а р а м е т р ы ДАЦ-50, а т а к ж е других газоразрядных л а м п приведены в табл. 3. В качестве сигнальных индикаторных ламп широко используются малогабаритные неоновые лампы тлеющего р а з р я д а , которые потребляют малую мощность и соответственно создают небольшие световые потоки. Импульсные г а з о р а з р я д н ы е лампы могут служить как для создания редких, но мощных импульсов, т а к и д л я получения частых, хотя и слабых вспышек. Длительность вспышки импульсных л а м п мала, поэтому несмотря на огромную силу света в импульсе (до десятков миллионов кандел) энергия сигнала в виде последовательности импульсов весьма невелика. 40
Таблица
3
газоразрядных ламп Габариты, мм Частота вспышек. Гц
—.
—
500 50 3
Срок расстояние меж- службы, ч ду электрода™
Примечание
диаметр наибольший
длина
26 40—44 58 38
149 258 330 115
2,0—3,5 2,5-4,3 3,9—4,9 1
500 70—250 100 75
Лампы непрерывного излучения
33 35 68
79 97 118
2.5 5 51
300 5 30
Импульсные лампы
2.5. СВЕТОДИОДЫ
В 1923 г. советский ученый О. В. Лосев обнаружил, что при прохождении тока через кристаллы карборунда наблюдается их зеленоватое свечение. Позднее удалось объяснить это явление, названное излучательной рекомбинацией в р — п-переходах или инжекционной электролюминесценцией в полупроводниках. П р и приложении к р — л-переходу напряжения в прямом направлении инжектируемые носители (электроны и д ы р к и ) , попадая в область перехода, где они являются неосновными, рекомбинируют с основными носителями. Межзонные переходы почти всегда сопровождаются испусканием квантов с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны, поэтому в некоторых полупроводниках прохождение тока сопровождается достаточно интенсивным свечением области р—«-перехода. Н а основе этого явления были созданы малогабаритные экономичные излучатели — светодиоды. Эти излучатели обладают довольно высоким к. п. д.— коэффициентом преобразования мощности тока, проходящего через р — «-переход, в видимое или инфракрасное излучение. При охлаждении светодиода до 77 К этот к. п. д. достигает 50%. Основными материалами, используемыми в настоящее время для изготовления светодиодов, являются арсенид и фосфид галлия, а т а к ж е трой-
Цые соединения типа G a l n P или G a A s P . При напряжении около 10 В, токе 10 мА и квантовом выходе 0,5% такие светодиоды обеспечивают яркость около 1500 к д - м - 2 . Наиболее выгодно использовать светодиоды в ближней инфракрасной области спектра, хотя они используФ\ , отн. од. Рис. 7. Спектры излучения светодиодов: 1 — к р и в а я видности; 2 — электролюминесценция в зеленой области спектра в о б р а з ц а х на G a P ; 3 — электролюминесценция в a SiC м о д и ф и к а ц и и 6Н, л е г и р о в а н н о г о бором и а з о т о м ; 4 — э л е к т р о л ю м и н е с ц е н ц и я в красной области спектра в о б р а з ц а х на G a P , легированных цинком, теллуром и кислородом; 5 — электролюминесценция в GaAs, легированном цинком и теллуром; 6 — электролюминесценция в арсениде галлия, легированном кремнием и т е л л у р о м .
ются и в видимом диапазоне. Хотя монохроматичность светодиодов и меньше монохроматичности ОКГ, но все ж е она довольно высока. Длиной волны излучения светодиода можно управлять, изменяя состав его материала. В табл. 4 и на рис. 7 приведены спектральные параметры и характеристики различных светодиодов [13]. Таблица
4
Спектральные параметры некоторых светодиодов
Материал светодиода
Цвет свечения
GaP, легированный Zn, О Красный GaP, легированный N Зеленый GaAs, . Л Красный SiC Желтый
'да
нм
698 565 640 590
Ширина полосы излучения на уроше 50% интенсивности, нм
h
93 30 28 155
20,7 392,0 97,9 293,0
К достоинствам светодиодов, помимо их малых габаритов и экономичности, относятся хорошая эксплуатационная надежность, дешевизна, а т а к ж е возможность модуляции излучения путем питания их переменным током. Номенклатура светодиодов, выпускаемых про42
мышленностью, не с л и ш к о м велика, но непрерывно возрастает. В т а б л . 5 п р и в о д я т с я п а р а м е т р ы некоторых светодиодов. В видимом д и а п а з о н е я р к о с т ь светодиодов КЛ-101 составляет 20—60 к д - м - 2 при т о к а х 10—40 мА, а светодиода АЛ-102 — несколько сотен к а н д е л на к в а д р а т н ы й метр. Таблица
5
Параметры некоторых светодиодов
Тип светодиода
ДИ-ЗА ДИ-ЗБ ДИ-4 Б-51А КЛ-101 АЛ-102
Рабочая длина волны, им
Ток возбуждения, мА
920—960 920—960 920—960 900—920 600 680
100 100 20 100 20 10—40
Мощность излучения, мВт
Длительность фронта импульса излучения, не
6—12 20—100 10—25 100—2500 1,3—3,5 20—2500 0,6—4,0 10—20 3 5-Ю" (100—250) 103 1 100—500 10"
Прямое падение напряжения, в
1,1—1,2 М—1,2 1,1—1,2 1,1—1,26 2,0 1,0
2.6. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
В последние годы в О Э П в качестве источников излучения широко п р и м е н я ю т с я О К Г — приборы, в которых используется я в л е н и е индуцированного излучения д л я генерации когерентных э л е к т р о м а г н и т н ы х колебаний в оптическом д и а п а з о н е спектра. П о с к о л ь к у физические основы О К Г и з л а г а ю т с я в курсе физики, а вопросам их проектирования и применения посвящены отдельные курсы, здесь в к р а т ц е рассмотрим л и ш ь основные особенности их к а к источников излучения в п р и б о р а х д л я линейных и угловых измерений. И з л у ч е н и е О К Г в значительной степени я в л я е т с я монохроматическим, когерентным, н а п р а в л е н н ы м и поляризованным. И м е н н о эти свойства в совокупности с достаточной интенсивностью излучения обеспечивают эффективность применения их в О Э П . Т а к и е в а ж н е й ш и е п а р а м е т р ы , как, например, д а л ь н о с т ь действия и точность измерений, з а в и с я т от отношения полезного сигнала к ш у м а м и помехам, в о з н и к а ю щ и м вне прибора и внутри его. Одним из средств уменьшения ш у м а я в л я е т -
ся спектральная селекция полезного сигнала, которая осуществляется установкой узкополосных оптических фильтров в приемной оптической системе. При использовании некогерентных источников (ламны накаливания, газоразрядные лампы) полоса пропускания фильтра не может быть выбрана очень узкой, т а к как спектр излучения этих источников широк. Поэтому через фильтр проходит и вредное излучение от фонов и помех. При использовании О К Г можно применять наиболее узкополосные фильтры, выпускаемые промышленностью. При этом отношение сигнал/помеха заметно возрастает, что Позволяет, например, проводить геодезические светодальномерные измерения днем. Свойство монохроматичности дает возможность рассчитывать скорость света в среде д л я фазового показателя преломления, а не группового, что очень важно при высокоточных интерферометрических геодезических измерениях. Когерентность излучения О К Г позволяет вести передачу и прием информации на оптических частотах, создавать эталоны длины и времени. Расстояние, на котором можно получать интерференционную картину при использовании некогерентных источников, не превышает нескольких метров. Д л я О К Г оно возрастает весьма заметно и практически ограничивается лишь искажающим влиянием флуктуаций атмосферы. Свойство когерентности используется для приема оптического сигнала методом гетеродинирования. При этом увеличивается помехозащищенность измерительной системы. Подробнее об этом методе будет сказано в гл. 9. Излучение обычных некогерентных источников распространяется в пространстве в пределах большого телесного угла, т. е. оно не является направленным. В то ж е время уменьшение расходимости пучка света, создаваемого источником, необходимо и для повышения дальности действия ОЭП, и для получения высокого углового разрешения. Излучение О К Г обладает небольшой расходимостью, что часто позволяет получить гораздо лучшие параметры световых пучков, чем при использовании более мощных некогерентных излучателей. П о л я р и з а ц и я излучения О К Г т а к ж е находит применение на практике. Например, при использовании модуляции по поляризации снижаются потери энергии в модуляторе. Она ж е позволяет улучшить помехозащищен-
ность прибора благодаря применению поляризационных светофильтров. J Специфика О К Г как излучателей заключается не только в перечисленных выше свойствах. В О К Г отсутствует привычная д л я нас и з л у ч а ю щ а я поверхность. Очень часто по отношению к О К Г неприменимы представления об источнике, к а к о точечном излучателе или источнике параллельных лучей. Кроме того, при работе с мощными О К Г необходимо помнить о возможности повреждения и выхода из строя элементов прибора под воздействием интенсивного излучения и особенно тщательно соблюдать необходимые требования техники безопасности. \ Основные параметры О К Г можно разделить на две группы: параметры излучения, знание которых необходимо при оценке принципиальной физической возможности решения той или иной задачи, и.эксплуатационные параметры, определяющие технико-экономическую эффективность применения О К Г в качестве излучателя. К первым относятся энергетические, пространственные и частотно-временные параметры. Ко вторым — к. п. д., потребляемая мощность, рабочая температура, время готовности к работе, время непрерывной работы, долговечность, габариты и масса, надежность. П а р а м е т р ы излучения зависят от р е ж и м а излучения ОКГ, который может быть непрерывным, пульсирующим, режимом одиночных импульсов. В непрерывном режиме работают большинство газовых О К Г при комнатной температуре, а т а к ж е некоторые твердотельные и полупроводниковые О К Г при охлаждении до 77 К и ниже. При импульсном (пульсирующем) режиме излучение О К Г происходит в виде регулярной последовательности импульсов с частотой f, причем длительность импульсов т гораздо меньше периода их повторения. Пульсирующий режим характерен для полупроводниковых и некоторых газовых ОКГ. В режиме одиночных импульсов период их повторения определяется временем, необходимым для зарядки элементов блока питания или охлаждения прибора. Длительность импульса обычно не превышает 10~3 с, а промежутки между ними гораздо больше и достигают десятков минут. Этот режим характерен для твердотельных ОКГ. Разновидностью его является режим
Тип ОКГ
Параметры
Название и марка ОКГ
Гелий-неоновый ЛГ-55
<и со оСП
Длина волны генерации, мкм
0,6328
Режим работы
Плоский угол расходимости по уровню 0,5, угл. мин
Непрерывный многомодовый
<10
Непрерывный одномодовый
<5
Гелий-неоновый ЛГ-56
0,6328
Непрерывный многомодовый
10
Гелий-неоновый ЛГ-75
0,6328
Непрерывный многомодовый
10
та
С-
На углекислом газе „Прометей-50"
Непрерывный многомодовый
0,4880
Непрерывный многомодовый
6
ЛГИ-26
2,026 3,430 3,510
Импульсный
10
Непрерывный многомодовый
30
10,6
Импульсный
Неодимовый с удвоением частоты ИТ-115
0,5300
Рубиновый ОГМ-20
0,6943
Гигантские импульсы х = 20 мс, f = 1 Гц
На выходе телескопа <2
Неодимовый ГСИ-1
1,0600
Импульсный | х = 7 - 1 0 ~ * с, f = 0 , 1 Гц
70-80
1 41 СО
—
f = 15 Гц, х = 50 не
1-
Ь
—
Аргоновый ЛГ-109
На углекислом газе ЛГ-187
3 I л 4ф
10,6
f абли
а
6
промышленных ОКГ [24, 37, 53] Мощность или энергия генерации
Наличие охлаждения, допустимый интервал, рабочих температур
Год питания и потребляемая мощность
2-Ю"' Вт
Без охлаждения
—110, ->Л27 или ~~220 В; 66 Вт
М О " 3 Вт 2-Ю" 3 Вт
25-Ю"' Вт
50 Вт
3 5 0 X 5 8 X 5 8 мм; 1,7 кг 296X150X150 мм; 5 кг
Без охлаждения
1080ХЮЗХ114 мм; 10 кг 530X303X260 мм; 31 кг
Охлаждение проточной водой
100 Дж 100 Дж 50 Дж
—
15
—
10* Вт 75 Д ж
мм;
- . 1 1 0 , -^127, Без охлаждения, 50 Гц или -^220 В; —30—+40®С 66 Вт
—
> 2 0 МВт > 0 , 4 Дж
3 6 0 X 7 0 X 6 0 мм; 1,5 кг 296X160X150 5 кг
1 Вт
0 , 5 - 1 0 ' Вт в импульсе
Габариты и масса головки О К Г и источника питания
—
Охлаждение проточной водой
Охлаждение проточной водой или воздухом
220 В, 50 Гц, 2 кВт
—
—
—
1800X150X150 мм, 1100X650X850 мм
—
-—
—
• U 1 5 В, 400 Гц, 3 кВт
Один блок 1400X600X800 мм; 150 кг
220 В, 50 Гц, 1,5 кВт
Один блок 523X915X1390 мм; 110 кг
3 кВт
200 кг
Тин ОКГ
Твердотельные Полупроводниковые
Назвавие и марка ОКГ
Рубиновый ГОР-ЗОО На флюорите диспрозием ИТ-102 Рубиновый дан-2А*
Режим работы
0,6943
Импульсный f = 0 , 0 0 3 Гц
с
2,3600
„Раз-
0,6943
Импульсный •с = 0 , 5 мс, / = 2 Гц
0,89—0,91 ДХ<5-10"'
Последовательность импульсов: х = 0 , 0 7 — 0 , 1 5 мкс, f = (400—2000) Гц
На арсениде галлия ПКГ .Колибри"
На арсениде галлия .Комета-1*
Примечание: ляет 500 ч.
Длина волны генерации, мкм
0,840— 0,860
Срок службы
Плоский угол расходимости по уровню 0,5, утл. мин
60
—
Импульсный т = 200 мкс / = (0,04—1) кГц
гелий-неоновых
50
—
ОКГ „[марок ЛГ-55 и ЛГ-56 состав-
гигантских импульсов, когда мощность импульса достигает десятков гигаватт, а длительность — десятых долей наносекунд. Режим работы ОКГ следует согласовывать с инерционностью приемника излучения и другими временными параметрами ОЭП. Для оценки возможности применения ОКГ в полевых . условиях очень важным является такой параметр, как рабочая температура. Некоторые ОКГ работают в условиях охлаждения активного элемента и элементов си- : стемы накачки до температур 2—77 К. Это часто делает невозможным длительную работу с ОКГ из-за малого времени работы автономных охлаждающих устройств, даже без учета их сложности и громоздкости. К наиболее существенным на сегодня недостаткам ОКГ можно отнести малые к. п. д., большие габариты, сложность конструкции, высокую стоимость, нестабильность некоторых параметров и ряд других факторов. 48
Продолжение МОЩНОСТЬ или энергия генерации
300 Д ж
1 Вт (средняя мощность) 2 Дж
1—5 Вт (в импульсе)
3 Вт
Наличие о х л а ж д е н и я , допустимый интервал рабочих температур
—
—
—
Без охлаждения
—
Род иитавия и потребляемая мощвость
700 Вт
—
табл.
6
Габариты и масса головки О К Г и источника питания
160Х6ЮХ250 38 кг
мм;
—
3 кВт
4 5 X 3 5 0 X 3 0 0 мм; 27 кг
Постоянное напряжение от батареи или переменное от сети -N.220 В, 50 Гц 1 Вт
8 0 X 6 0 X 5 0 мм, 0 , 2 кг 8 0 X 6 0 X 5 0 мм; 0 , 3 кг
—
Один блок 1 7 0 Х П 0 Х 2 0 0 мм
При оценке эффективности применения ОКГ следует иметь в виду, что сравнивать между собой необходимо не только источники излучения, но и приборы, в состав которых они входят. Например, иногда применение сравнительно большого по размерам ОКГ позволяет заметно упростить и сократить габариты оптической системы д л я формирования пучка по сравнению с прибором, где используется небольшая лампа накаливания. Наконец, в большом числе случаев поставленные перед ОЭП задачи можно решить только с помощью ОКГ. Не останавливаясь на анализе всех параметров и характеристик ОКГ, на вопросах их расчета и выбора, которые подробно рассмотрены в специальной литературе [24, 37j, приведем краткий обзор современных промышленных ОКГ. Данные о некоторых из них приведены в табл. 6. В газовых О К Г в качестве активного вещества используются чистые газы, их смеси, а также пары неко4—783 49
Торых веществ. Обычный газовый О К Г представляет 1 собой стеклянную или кварцевую трубку со впаянными электродами, с л у ж а щ и м и д л я создания р а з р я д а постоянным током. Если используется высокочастотный разряд переменного тока, то электроды в виде поясков одеваются на трубку. Ширина линий излучения в газовых О К Г составляет порядка Ю - 6 — Ю - 7 мкм. Д л я весьма распространенных газовых ОКГ, работающих на смеси гелия и неона, общими характерными п а р а м е т р а м и являются: длины волн генерируемого изл у ч е н и я — 0,6328, 1,153, 3,39 мкм; сравнительно небольш а я мощность излучения — не более 100 мВт на длинах волн 0,6328 и 1,153 мкм и нескольких сотен милливатт на 3,39 мкм. Эти О К Г могут работать без охлаждения, имеют сравнительно небольшие габариты и массу. Параметры их достаточно стабильны, они устойчивы к внешним воздействиям. Срок их службы порой превышает 10 тыс. часов. В ионных газовых О К Г д л я создания индуцированного излучения используется возбуждение ионов некоторых газов. Наиболее распространены О К Г на ионах аргона, позволяющие получать значительные мощности излучения (от нескольких ватт до 30—50 Вт в трубках длиной 2 м) в непрерывном режиме. Эти О К Г могут работать и в импульсном режиме. Рабочий ток в номинальном р е ж и м е работы составляет несколько десятков ампер, к. п. д. — 0,01—0,1%; диапазон спектра излучен и я — от 0,4545 до 0,5145 мкм с основной длиной волны 0,4888 мкм. Д л я ионных О К Г необходимо охлаждение ( к а к правило, проточной водой). В молекулярных газовых О К Г ток р а з р я д а возбужд а е т молекулы газа. Наиболее часто рабочая смесь состоит из углекислого газа с добавкой азота и гелия. Оптимальные значения разрядного тока (тлеющий разряд) составляют десятки и сотни миллиампер при напряжении на трубке до 10 кВ (при длине трубки около 0,5 м и диаметре 10 м м ) . Общими характеристиками О К Г на углекислом газе являются: длина волны и з л у ч е н и я — 1 0 , 6 мкм; большая мощность излучения, чем у других газовых О К Г (несколько десятков ватт в непрерывном режиме и несколько мегаватт в импульсном); необходимость о х л а ж д е н и я (обычно проточной водой); высокий к. п. д. ( 6 — 2 0 % ) . Оптические квантовые генераторы на углекислом газе
предназначаются в основном для технологических применений и д л я целей оптической связи. В твердотельных О К Г в качестве активного вещества используются кристаллические или аморфные диэлектрики в виде цилиндров, призм, стержней, на отполированные торцы которых наносятся зеркальные покрытия, образующие резонатор. Возбуждение производится путем оптической накачки — облучения активного вещества извне, с помощью мощных ламп-вспышек. Поперечные размеры активного элемента составляют миллиметры (до 20—30 мм в мощных О К Г ) , продольные меняются от нескольких сантиметров до 50—60 см. Основным режимом работы твердотельных О К Г является импульсный режим. Д л я твердотельных О К Г характерны (по сравнению с газовыми) гораздо большая мощность в импульсе, меньшая когерентность излучения, большие габариты и масса. Их общими недостатками являются низкий к. п. д., малый срок службы л а м п накачки, трудность увеличения частоты следования импульсов, сложность блока питания. Распространенным материалом д л я активного вещества в твердотельных О К Г является синтетический рубин. Рубиновые О К Г используются в импульсном и непрерывном режиме излучения. Кристаллы имеют диаметр 12—15 мм и длину 15—20 см. В импульсном режиме при длительности импульса 10 мс средняя мощность в импульсе составляет 1 кВт. Д л я работы в непрерывном режиме необходимо охлаждение, мощность при этом составляет десятки милливатт, к. п. д. не превыш ет 1 %. В качестве примера твердотельного О К Г на стекле с неод ш о м можно рассмотреть прибор ГОС-ЮОО [37], которым используется в режиме свободной генерации для получения моноимпульсов с помощью пленочного или жидкостного просветляющегося затвора. В промышленных образцах этого прибора выходное зеркало заменено плоскопараллельной пластиной; торцы активного элемента (диаметр 45 мм, длина 600 мм) обработаны под углом 87° к оси; импульс накачки уменьшен путем сокращения числа разрядных конденсаторов; применена система водяного охлаждения; использован затвор в виде просветляющейся пленки из полимера с введенным в нее красителем или жидкостной затвор с использованием раствора красителя в нитробензоле. Прибор 4*
51
ГОС-1000 с применением жидкостного затвора обеспечивает получение импульсов с энергией 80 Д ж (2,5 ГВт), а с пленочным затвором — 50 Д ж (1,5 Г В т ) . В последнее время широкое распространение начинают получать О К Г на алюмоиттриевых гранатах с примесью неодима. Созданы О К Г непрерывного действия с использованием стержней длиной до 15 см и диаметром до 1 см и мощностью излучения до 750 Вт. Срок службы л а м п накачки у таких О К Г достигает 5000 ч. Д л я обычных О К Г такого типа при мощности до 15 Вт к. п. д. составляет около 1%. Появились сообщения о твердотельных О К Г на алюмоиттриевом гранате, в которых накачка осуществляется с помощью светодиодов, размещаемых вдоль стержня активного элемента. Излучение происходит на длине волны около 0,81 мкм, минимальная потребляемая мощность при охлаждении до 77 К — около 300 мВт, а при комнатной температуре — около 6 Вт [53]. Полупроводниковые ОКГ. Принцип действия полупроводниковых квантовых генераторов во многом схож с принципом действия светодиодов. П р и достаточно больших напряжениях, прикладываемых к р — я-переходу, амплитуда излучения при прохождении через кристалл полупроводника, образующий резонатор, усиливается. Излучение становится индуцированным. Эффект индуцированного (вынужденного) излучения получен д л я многих полупроводниковых материалов — в диапазоне от 0,33 до 31 мкм [53]. Д л я его создания используется оптическое возбуждение (фотолюминесценция), возбуждение пучком быстрых электронов, и главным образом, инжекция носителей в р — /г-переход. И н ж е к ц и я носителей осуществляется путем подачи импульсов тока длительностью от нескольких микросекунд до десятых долей микросекунды с частотой до сотен килогерц. Пороговая плотность тока, необходимая для получения индуцированного излучения, составляет 7000—20 000 А - с м - 2 , при этом, как правило, необходимо охлаждение кристалла до 77 и д а ж е до 4 К. В опытных образцах генераторов на G a A s при Т= = 4 К была получена мощность непрерывного излучения 7 Вт при мощности накачки 30 Вт. Типовые размеры р — n-перехода составляют десятки микрометров, области свечения — единицы и десятые доли микрометра. Углы расхождения излучения составляют единицы и
д а ж е десятки градусов. Ширина спектральной линии излучения обычно равна ( 1 — 1 , 5 ) - Ю - 3 мкм (иногда удается уменьшить ее до Ю - 5 мкм) [53]. Д л я промышленных образцов П К Г достигнуты мощности излучения в импульсном р е ж и м е до сотен ватт и к. п. д. — 50—80%. Пока выпускается немного типов промышленных полупроводниковых ОКГ, хотя перспективы их применения с улучшением эксплуатационных параметров можно считать хорошими. Основными достоинствами полупроводниковых О К Г являются их малые габариты и масса, небольшая потребляемая мощность, высокий к. п. д., возможность осуществления внутренней модуляции (с частотой до 1011 Гц). Полупроводниковые квантовые генераторы типа «Колибри» работают при комнатной температуре, типа «Комета-1» — при охлаждении до 77 К; емкость сосуда с жидким азотом позволяет этому прибору непрерывно работать в течение 5 ч.
2.7. ИЗЛУЧЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ЕСТЕСТВЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Естественные излучатели-(небесные тела, л а н д ш а ф т , о б л а к а ) часто могут быть к а к объектами наблюдения, например при астрономических наблюдениях, в космической геодезии, при аэрофотосъемке, так и источниками помех. Вкратце рассмотрим параметры и характеристики некоторых излучателей естественного происхождения. Солнце. Излучение Солнца на среднем его расстоянии от Земли (150 млн. км) характеризуется поверхностной плотностью 1400 В т - м - 2 . Угловые размеры Солнца составляют около 35'. Спектр излучения Солнца за пределами земной атмосферы примерно совпадает со спектром излучения черного тела, имеющего температуру 6000 К. В максимуме спектральной характеристики (на длине волны около 0,5 мкм) спектральная облученность равна примерно 2000 Вт • м - 2 • м к м - 1 . Д о поверхности Земли от Солнца через атмосферу доходит излучение с длинами волн от 0,3 до 3,0 мкм. В приземном слое атмосферы Солнце эквивалентно черному телу с температурой Дневное небо. Если предположить, что излучение Солнца равномерно рассеивается по направлению 63
к Земле, т. е. небо имеет одинаковую яркость, то эту яркость иногда принимают составляющей около Ю-15 от яркости Солнца и равной 3 - Ю 2 В т - м _ 2 - м к м _ ; 1 - с р _ 1 в максимуме спектра излучения ( Л = 0 , 5 мкм) и 1 В т - м _ 2 - м к м _ 1 - с р _ 1 при ^,=4 мкм. Цветовая температура дневного неба оценивается в 12 000—25 000 К- Эти величины в очень большой степени зависят от положения Солнца на небе и высоты места наблюдения над уровнем моря. Например, максимальное значение яркости при Я, = 0,5 мкм может изменяться от 3 - Ю 2 до 1 В т - м - 2 - м к м _ 1 - с р _ 1 . Участки неба, противоположные Солнцу, гораздо ярче участков, удаленных от него на 90°. Ночное небо. В отсутствие рассеянного солнечного света, т. е. ночью, излучение неба создается собственным излучением паров и газов, составляющих атмосферу. Максимум излучения .при 'наблюдении с З е м л и находится в области около 10,5 мкм, а спектр его аналогичен спектру излучения черного тела при температуре атмосферы (для областей неба, близких к горизонту). При переходе к зениту яркость неба уменьшается более чем вдвое. В некоторых работах энергетическая яркость ночного неба в видимой части спектра оценивается как (5,5—8,5) - Ю- 7 Вт-м-2-ср" 1 . Помимо излучения атмосферы, свой в к л а д в свечение ночного неба вносят рассеянный свет звезд, зодиакальный свет, галактическое свечение, которые создают иногда в сумме такое ж е излучение, к а к и атмосфера. В ясную ночь звезды создают на З е м л е освещенность около 2-10~ 4 лк. Тепловое излучение тропосферы и облаков объясняется тем ж е собственным излучением составляющих их частиц и веществ. В соответствии с законом Кирхгофа нижний слой атмосферы (тропосфера) или о б л а к а большой толщины излучают как черное тело. Плотность этого излучения является функцией температуры тех слоев, которые находятся б л и ж е к прибору. Н а длинах волн Я = 3—4 мкм для дневных условий это излучение равно рассеянному солнечному излучению, т. е. при работе в диапазоне А,>3—4 мкм можно пренебречь влиянием солнечного излучения. Излучение облаков для длин волн, больших 3 мкм, в первом приближении можно считать подобным излучению черного тела, имеющего ту же, что и облака, температуру. Д о Я =
= 3 мкм яркость облаков определяется главным образом рассеянным излучением Солнца. Следует учитывать, что в диапазоне 8—14 мкм пропускание чистой атмосферы столь велико, что при небольших зенитных углах, когда толща атмосферы невелика, собственное тепловое излучение тропосферы мало, и спектральная кривая яркости имеет провал. Д л я излучения Земли в космическое пространство все ж е характерно преобладающее влияние облачного покрова. Интегральная плотность излучения системы «Земля+атмосфера» в космос равна примерно 2-10 2 В т - м - 2 с максимумом в области 8—12 мкм. Луна имеет визуальную звездную величину —12™,2. Ее средний видимый диаметр составляет около 33', т. е. почти равен видимому диаметру Солнца. Освещенность от Л у н ы может меняться в зависимости от ее положения, сезона наблюдения и других факторов в пределах от 4 , 1 - Ю - 2 л к (через семь дней до и после полнолуния, при фазовом угле Л у н ы ± 8 5 ° ) до 37,7-10~ 2 л к (в полнолуние, при фазовом угле 0). Эффективная температура отраженного Луной солнечного света равна 5900 К, а коэффициент отражения от поверхности (альбедо) — 0,07. Эффективная температура поверхности самой Луны равна 400 К, т. е. максимум собственного излучения приходится на длину волны 7,2 мкм. Наземные покрытия (ландшафт) являются весьма распространенным фоном, на котором наблюдаются исследуемые объекты, а иногда, например в аэрофотосъемке, и сами являются объектами изучения. Излучение л а н д ш а ф т а зависит от его излучательных и отражательных свойств. Коэффициенты отражения большинства наземных покрытий равны 0,15—0,20. Л и ш ь в диапазоне 0,7—1 мкм эта величина иногда (в частности, д л я растительности) увеличивается до 0,7 — 0,8. О с т а л ь н а я часть излучения л а н д ш а ф т а обусловлена собственным излучением покрова. Часто принимают, что почва излучает к а к серое тело с коэффициентом излучения 0,35. Отраженное излучение земного покрова определяется излучением Солнца и превышает собственное излучение д л я Я < 4 мкм. Д л я больших длин волн излучение многих естественных покровов (почва, растительность) иногда считают аналогичным излучению черного тела при той ж е температуре, что и собственная температура покрова. Планеты и звезды часто используются в качестве ра-
бОчих излучателей для ОЭП. Описание Их астрофизических и фотометрических свойств имеется в литературе [26, 30]. П р и максимальной яркости визуальная звездная величина Солнца равна — 2 6 т , 8 ; Луны — 12 т ,2, Венеры — 4 т , 4 , Марса —2"\8, Сириуса — 1 т , 5 8 , Канопуса —0' п ,86, Беги 0 т , 1 4 , Бетельгейзе 0"\92. В инфракрасной области спектра соотношение яркостей звезд может быть иным, например облученность, с о з д а в а е м а я на З е м л е от Бетельгейзе, гораздо больше, чем облученность от Беги, хотя визуальная звездная величина последней больше.
3. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ 3.1. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТМОСФЕРЫ
Большинство современных О Э П работает в условиях, когда излучение наблюдаемого источника приходит на приемное устройство ослабленным в результате действия среды, в которой оно распространяется. Кроме того, в этой среде может происходить и видоизменение сигнала, переносимого лучистым потоком, например по спектру или по пространственной структуре. Очень часто такой средой является атмосфера. В настоящее время теоретически и экспериментально установлено, что именно атмосфера в наибольшей степени ограничивает р а з р е ш а ю щ у ю способность и точность линейных и угловых геодезических измерений. Принято рассматривать атмосферу как среду, состоящую из смеси газов, водяного пара, мельчайших взвешенных ч а с т и ц — а э р о з о л я . Содержание водяного пара в атмосфере может сильно изменяться в зависимости от целого ряда факторов. Так, с понижением температуры его количество заметно убывает. Основное количество водяного пара содержится на высотах до 5 км. Углекислый газ обычно содержится в атмосфере в меньших количествах, чем пары воды; средняя его концентрация сохраняется почти постоянной до высот около 20 км и равна примерно 0,03% по объему. Д л я исследования процессов поглощения в а ж н о знать т а к ж е - со56
держание и распределение озона, концентрация которого изменяется с высотой довольно своеобразно: резко повышается на высотах 22—27 км и понижается практически до нуля на высотах свыше 40 км. Другие газы, содержащиеся в атмосфере в гораздо меньших количествах, т а к ж е создают условия для ослабления проходящей радиации, однако их влияние по сравнению с влиянием воды, углекислого газа и озона мало. Закономерности распределения указанных компонентов по высоте описываются эмпирическими зависимостями, некоторые из которых приведены в монографиях [23, 50]. Очень трудно аналитически учитывать всевозможные посторонние включения (пыль, частицы биологического происхождения, кристаллики льда, капли воды и т. п.), которые в виде аэрозолей могут сильно замутнять атмосферу. Атмосферные аэрозоли присутствуют практически на всех высотах (до 100 к м ) . Можно считать, что концентрация аэрозолей убывает по экспоненте до высот 5—6 км, относительно постоянна в верхних слоях тропосферы и имеет резко выраженный максимум на высотах 15—23 км. Аэрозольное ослабление определяется формой и составом частиц, образующих аэрозоль, их концентрацией, распределением по р а з м е р а м и другими факторами, что в значительной степени зависит от метеорологических условий и географических факторов. Поэтому-то очень трудно создать достаточно строгий а п п а р а т для расчета ослабления излучения. Общее ослабление излучения в атмосфере обусловлено двумя основными процессами: — поглощением газовыми компонентами, в результате которого происходит преобразование лучистой энергии в другие ее виды: — аэрозольным ослаблением, или рассеянием, состоящим в изменении направленности излучения. Поглощение вызвано наличием в атмосфере ряда веществ (воды, углекислого газа, озона и др.), имеющих мощные спектральные полосы поглощения в оптической области. Рассеяние лучистой энергии на частицах, из которых состоит аэрозоль, — это отклонение лучистого потока от первоначального направления, причем здесь может иметь место и поглощение энергии веществом этих частиц. Кроме того, может иметь место молекулярное рассеяние излучения, а иногда следует учитывать излучение газов и частиц, составляющих атмосферу,
происходящее согласно закону Кирхгофа и снижающее контраст изображения наблюдаемого источника. В ряде случаев необходимо учитывать т а к ж е и случайные или систематические изменения оптических свойств атмосферы. К ним, в первую очередь, относятся флуктуации ф а з ы световой волны из-за флуктуаций пок а з а т е л я преломления атмосферы. Их влияние сказывается в виде мерцания (случайного изменения яркости наблюдаемого источника) и д р о ж а н и я (случайного изменения пространственного положения изображения наблюдаемого источника). Кроме того, возможны и другие явления, связанные с неоднородностью атмосферы, например рефракция, изменения плотности потока по сечению пучка. Установлено, что общее ослабление в оптически однородной среде описывается экспоненциальным законом Бугера: / г = / 0 е х р (—а/) =/от г 1 = /от,
(3.1)
где / ( — интенсивность излучения, прошедшего путь I; /о — интенсивность излучения в начале трассы; а — п о к а з а т е л ь ослабления, Ti = exp ( — а ) — коэффициент прозрачности среды, или прозрачность, д л я 1 = 1 км. Учитывая спектральный характер процессов поглощения и рассеяния, величину т:х = = 7/(Я)//0(Я) называют спектральным пропусканием слоя среды. Соответственно спектральное поглощение определяется к а к а х = а(Я) = [ / „ ( * ) - / , ( , Я)]//0(Я). Если нужно определить прозрачность атмосферы в каком-то спектральном диапазоне АХ, то пропускание и поглощение определяются функциями следующего вида:
д\
дх
С учетом двух основных факторов ослабления: поглощения и рассеяния — выражение д л я т можно представить в виде: т(Я) = *п(Я)та(Я), (3.2) где тп(Я) = ехр [ - £П(Я)/]; 1 „(Я) = ехр [ - а0(Я)/];
kn(k) — спектральный монохроматический коэффициент поглощения; а а ( к ) — с п е к т р а л ь н ы й монохроматический коэффициент аэрозольного ослабления (рассеяния). Таким образом, д л я определения общего пропускания атмосферы достаточно найти значения коэффициентов k n и а а для рассматриваемой метеорологической ситуации. Методам их определения посвящены следующие п а р а г р а ф ы данной главы. 3.2. ПОГЛОЩЕНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЕ
В общем случае поглощения в неоднородной среде закон Бугера может быть записан в следующем виде: i /,(Я) = /0(Я) ехр " l)dl
J
Д л я слоя однородной среды единичного сечения Ii(X) = 1,(1) ехр [ - £„(*)/] = /„(Я) ехр [ - k'n{X)w],? где k п — массовый коэффициент поглощения, т. е. коэффициент поглощения на единицу массы поглощающего вещества; w — осажденный слой поглощающего вещества. Физическая природа рассматриваемого процесса заключается в поглощении излучения отдельными спектральными линиями. Н у ж н о отметить, что основные составляющие атмосферы — одноядерные двухатомные молекулы азота и кислорода неммеют дипольного момента и поэтому не имеют полос поглощения в инфракрасной области. Приведем некоторые результаты исследований наиболее сильных линий спектров поглощения в атмосфере. Наиболее мощный поглощающий компонент — молекулы воды — имеет значительные полосы, располагающиеся около 0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,7; 3,2; 6,3 мкм. Все эти полосы вызваны колебательно-вращательным движением молекул воды. Чисто вращательный спектр поглощения воды создает полосы, располагающиеся от 10 мкм до миллиметровой области. Молекулы углекислого газа создают значительное поглощение в полосах около 1,4; 1,6; 2,0; 2,7; 4,3; 4,8; 5,2; 9,4; 10,4; 13,9 и 15 мкм, а молекулы озона наиболее значительно ослабляют излучение около 9,6 мкм. В своей совокупности эти полосы, а т а к ж е полосы других, слабее поглощающих компонен-
тов (N 2 0, СО, СН 4 И др.), создают так называемую картину поглощения излучения атмосферой, которая меняется в зависимости от концентрации и состояния отдельных поглощающих веществ. Д л я практики ОЭП очень важно отметить наличие «окон» пропускания атмосферы (рис. 8).
Высоте 15,7км,
- в приземном слое
Рис. 8. Поглощение и пропускание излучения в атмосфере.
Так, в приземном слое атмосферы имеются следующие окна: 0,95—1,05; 1,2—1,3; 1,5—1,8; 2,1—2,4; 3,3— 4,2; 4,5—5,0; 8—13 мкм. С увеличением высоты уменьшается плотность воздуха и количество поглощающих компонентов, что приводит к весьма заметному расширению «окон» пропускания атмосферы. На основе практических измерений поглощения в атмосфере Эльдером и Стронгом была предложена следующая формула для вычисления величины т п на трасТаблица 7 сах, расположенных на высоЗначения k, и тах 2—3 км: ДХ.мкм
0,70—0,92 0,92—1,10 1,10—1,40 1,40—1,90 1,90—2,70 2,70—4,30 4,30—5,90
А.
'о
15,1 16,5 17,1 13,1 13,1 12,5 21,2
106,3 106,3 96,3 81,0 72,5 72,3 51,2
т„( % ) - * « — f c l g w , (3.3) где t0 и — постоянные для рассматриваемого участка спектра (табл. 7); w — aHl — слой осажденной воды (водность), мм; I — путь излучения, м; ан — абсолютная влажность или концентрация водяного пара, которая мо-
'жет быть найдена как функция температуры воздуха и практически равна количеству осажденной воды на трассе длиной 1 км (рис. 9). Д л я определения а н необходимо умножить величину относительной влажности на количество осажденной воды. Например, при / = + 10°С и относительной влажности 60% О н = 1 0 - 0 , 6 = 6 м м - к м - 1 . Д л я высот Н свыше 3 км по методике Эльдера и Стронга следует вводить поправку на высоту, и тогда ш = а„М0-(3+°'2Я), где Н измеряется в километрах.
А 1
25
/
I
Ч
1
s
i
I I ISi I
1
-10
-5
0
5
10 15 Температура,0С
20
25
30
Рис. 9. К определению абсолютной влажности.
Концентрация водяного пара может меняться с высотой, причем средняя статистическая зависимость этого изменения для небольших высот описывается следующим образом: а
ц(Н) =
ан(0)
• 10~Я/Сз,
(3.4)
где С 3 — эмпирический коэффициент; для средних метеоусловий С 3 «=5; а н ( 0 ) — в л а ж н о с т ь на уровне моря. Расчет по формулам (3.3) и (3.4) является достаточно приближенным. Несколько более точные результаты можно получить, пользуясь таблицами спектральных коэффициентов пропускания излучения парами воды и углекислым газом |[8, 50], для чего т а к ж е необходимо знать количество осажденной воды. Д л я вычисления поглощения излучения углекислым газом целесообразно воспользоваться соответствующими графиками и таблицами, приведенными в литературе [8]. Практически это поглощение не зависит от метеоусловий, т а к как концентрация С 0 2 практически постоянна. С высотой поглощение -углекислым газом уменьшается пропорционально отношению давлений на разных высотах в степени 1,5. Таким образом, поглощение излучения имеет ярко выраженный селективный характер и проявляется в виде полос поглощения или их совокупности, разделенных окнами пропускания с незначительным поглощением. Внутри окон пропускания атмосферы основное ослабление излучения происходит в результате рассеяния. 3.3. РАССЕЯНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ
Поскольку аэрозольное рассеяние включает в себя не только рассеяние на частице, но и поглощение излучения веществом, из которого эта частица состоит, правильнее говорить об аэрозольном ослаблении. Наряду с аэрозольным ослаблением имеет место и молекулярное рассеяние, определяемое по формуле а р = 0,83 где N — число молекул в 1 см 3 ; А — п л о щ а д ь поперечного сечения молекулы (см 2 ); X— длина волны излучения (см). Результаты определения коэффициентов молекулярного рассеяния д л я отдельных длин волн приведены в табл. 8. Анализ приведенных данных показывает, что в инфракрасной области спектра молекулярным рассеянием можно практически пренебречь, т а к к а к оно не вносит сколько-нибудь заметного в к л а д а в уменьшение 62
п р о п у с к а н и я излучения. П р и р а б о т е ж е в видимой области оптического спектра этот ф а к т о р д о л ж е н учитываться. " Процесс рассеяния характеризуется коэффициентом о с л а б л е н и я k a — отношением рассеянного частицей излучения к излучению, п а д а ю щ е м у на частицу. К о э ф ф и циенты ka и а а , в х о д я щ и й в ф о р м у л у (3.2), с в я з а н ы м е ж д у собой с л е д у ю щ и м о б р а з о м : 00 аа(Х) = N j ka(X, ae)f(ac)dac, где а с — р а д и у с частицы; X — д л и н а волны излучения; f(ac)—функция р а с п р е д е л е н и я ч а с т и ц по р а з м е р а м ; N — число ч а с т и ц в единице Таблица 8 о б ъ е м а . М е т о д ы определеКоэффициенты ния и расчета f(ac) и ka(K молекулярного рассеяния а с ) р а с с м о т р е н ы в моноградля /=10 км фиях [23, 55]. В с л у ч а е крупнокапельсм"1 X, мкм S*. % ных т у м а н о в или д о ж д я V коэффициент о с л а б л е н и я сохраняется приблизительно 79,3 ю-» 45 0,35 постоянным в о б л а с т и 0,35— 12,3 10-» 89 0,55 97 0,76 3,70 мкм. Д л я средних т у м а 3,30 ю - ' 99 1,09 10-« 1,00 нов постоянство этого к о э ф — 1,20 5,25 10-' фициента н а б л ю д а е т с я толь— 1,33 I 0 - " 3,00 ко в видимой о б л а с т и опти—— 5,00 1,73 10-" ческого с п е к т р а , а д л я мелк о к а п е л ь н ы х т у м а н о в его заметное изменение н а б л ю д а е т с я во всем оптическом д и а пазоне. Установлено, что уменьшение р а с с е я н и я по м е р е увеличения длины волны излучения происходит л и ш ь в дымке и в мелкокапельных туманах (размеры капель менее 1 м к м ) . О д н а к о д л я сильных туманов, д о ж д я , снега переход от видимого излучения к и н ф р а к р а с н о м у не д а е т о щ у т и м ы х преимуществ. И н о г д а д л я х а р а к т е р и с т и к и р а с с е и в а ю щ и х свойств частицы по р а з н ы м н а п р а в л е н и я м используют индикатрису р а с с е я н и я — у г л о в у ю ф у н к ц и ю р а с с е я н и я , определ я е м у ю отношением энергии, рассеянной частицей в данном н а п р а в л е н и и , к энергии, рассеянной во все стороны. П о м и м о к о э ф ф и ц и е н т а о с л а б л е н и я ka, х а р а к т е р и з у ю щего рассеяние, на п р а к т и к е используются и другие ве-
личины, например метеорологическая дальность видимости s M — расстояние, на котором контраст между определенным типом источника (мирой) и о к р у ж а ю щ и м его фоном снижается до порога контрастной чувствительности глаза. Величина s M характеризует метеорологическое состояние среды (ее замутненность) и определяется из выражения
где а я — п о к а з а т е л ь рассеивания; е к — порог контрастной чувствительности приемника. Обычно для человеческого глаза принимают е к = 0,02. При этом для Л = = 0,61 мкм SM = 3,91/da 0,61(3.5) Если подставить a a из последнего в ы р а ж е н и я в формулу для коэффициента прозрачности из закона Бугера, то получим ta «.«1 = ехр (— я а о,в1/) = ехр (— 3,91//s M ).
(3.6)
Установлено, что в условиях дымки д л я X от 0,61 до 11,48 мкм (3.7) где — коэффициент, зависящий от р а з м е р а рассеивающих частиц. С учетом того, что a a o.ei = 3,91/^м = • (0,61) - 0 ' 7 , можно рассчитать для заданной метеорологической дальности видимости значение коэффициента k 2 и, пользуясь им, найти по формуле (3.7) значение показателя рассеяния а а д л я любой длины волны Аналогично (3.6) эти соотношения позволяют вычислить коэффициент прозрачности т а ) при любой X и в пределах любого атмосферного окна. При этом поглощение не учитывается и должно вычисляться отдельно, независимо от рассеяния. Суммарное ослабление излучения после нахождения т п и Та определяется по формуле (3.2). 3.4. ФЛУКТУАЦИИ ПРОЗРАЧНОСТИ АТМОСФЕРЫ
Влияние случайных флуктуаций прозрачности атмосферы в ы р а ж а е т с я главным образом в дрожании и мерцании изображения. Физическая сущность этих явлений 64
заключается во флуктуациях фазы световой волны, проходящей через атмосферу, в результате пульсаций коэффициента преломления из-за атмосферной турбулентности. Поскольку условия работы ОЭП могут быть самыми различными, а число статистически достоверных данных по ним крайне невелико, трудно дать скольконибудь общие рекомендации по расчету этих факторов. К а к установленный и подтвержденный рядом исследований для горизонтальных приземных трасс факт можно отметить зависимость дисперсии д р о ж а н и я (в угловой мере) от расстояния до источника /, диаметра приемной системы Ь в х и метеорологических факторов (структуры температурных неоднородностей, д а в л е н и я ) , учитываемых т а к называемой структурной постоянной коэффициента преломления атмосферы С п . Эта зависимость в ы р а ж а е т с я следующей формулой [47]: 0>д=
2,9 D ~ , / 3 / C V
Можно отметить линейную зависимость о2,, от расстояния до излучателя. В работе [60] приведены значения Сп для случаев слабой (8-10- 9 м _ 1 / 3 ), средней ( 4 - Ю - 8 м~ 1/3 ) и сильной ( 5 - Ю - 7 м - 1 " ) турбулентности свободной атмосферы, которые могут быть использованы для ориентировочных расчетов дисперсии дрожания. В той ж е работе приведены выражения, определяющие зависимость Сп от давления и температуры среды для различных длин волн излучения. Максимальные значения спектральной плотности мощности д р о ж а н и я ф д (f) (распределение дисперсии по частотам f) смещены в сторону низких частот. Максимум этого спектра наблюдается при частоте f= = 0,22v J D ^ , где v^ — скорость ветра в направлении, перпендикулярном трассе наблюдений. Влияние д р о ж а ния на точность оптико-электронных угломеров можно оценить по методике, описанной в [59]. Мерцание, т. е. случайное изменение яркости излучателя, т а к ж е наблюдается в основном в области низких частот. Дисперсия флуктуаций логарифма интенсивности потока в приземном слое о»м = InIjJTo)* или в виде функции от структурной постоянной С„ и волнового числа k = 2n/X: о 2 „ = 1,23 С2^^1'6 [47]. 5—783
65
Эти формулы верны для расстояний I, меньших некоторого критического 1 кр , определяемого дифракцией на местных неоднородностях среды: /нр=' 2 оМ> где fo — р а з мер неоднородности. Максимум временного спектра мерцания л е ж и т на частоте [47] f„ = 0,Э2о
(УЛ.
Сравнительно большое число теоретических и экспериментальных исследований посвящено мерцанию и дрож а н и ю изображений звезд при наблюдении их для различных зенитных расстояний. Некоторые результаты этих исследований имеются в [34]. Помимо перечисленных выше факторов, характеризующих прохождение излучения в атмосфере, существует ряд физических процессов, например атмосферная рефракция, рассматриваемая в курсах геодезии и высшей геодезии, биения плотности излучения по сечению распространяющегося пучка, изменение плоскости поляризации, описание которых не входит в круг вопросов, рассматриваемых в настоящей книге. Н у ж н о указать, что влияние атмосферы на распространение излучения, создаваемого ОКГ, т а к ж е имеет некоторые дополнительные особенности, объясняемые большой монохроматичностью, высокой направленностью и рядом других специфических особенностей излучения ОКГ. Д л я знакомства со всеми этими вопросами следует обратиться к специальной литературе, например [23, 61].
4. ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА 4.1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА
Одним из наиболее важных узлов ОЭП является оптическая система. В общем случае она предназначена для того, чтобы собрать достаточное для работы всего прибора количество лучистой энергии от источника и способствовать выделению полезного сигнала на фоне сигналов от других излучателей (помех и фонов), а такж е для образования изображения пространства объек66
тов или источника. В случае активного метода работы ОЭП оптическая система д о л ж н а сформировать требуемую диаграмму направленности пучка, посылаемого от источника к исследуемому объекту. Обычно все эти задачи неразрывно связаны между собой и лишь иногда оптическая система решает отдельно какую-нибудь одну из них. Спецификой оптической системы О Э П является: — наличие приемника излучения в ее составе, который входит одновременно и в состав электронной системы и служит для согласования между собой этих звеньев прибора; — более широкий по сравнению с видимым спектральный диапазон, в пределах которого может работать ОЭП. Это иногда приводит к большему влиянию некоторых аберраций, например хроматизма, к большим трудностям по их коррекции и к трудностям выбора оптических материалов. Некоторые материалы, обладающие хорошими оптическими свойствами, по своим физико-механическим характеристикам часто не могут быть использованы в полевых ОЭП, например некоторые кристаллы, о б л а д а ю щ и е хорошим спектральным пропусканием, но имеющие большую гигроскопичность и малую механическую прочность; — требование к большей простоте и надежности конструкции, что особенно важно для геодезических полевых ОЭП. Структура оптической системы ОЭП может быть различной в зависимости от способа работы всего прибора и стоящих перед ним задач. При активном методе работы прибора оптическая система часто состоит из двух самостоятельных частей: из передающей и приемной системы. Обобщенные структурные схемы представлены на рис. 10. При пассивном методе работы, когда отсутствует специальный источник, а используется собственное излучение объекта, обобщенная схема оптической системы ОЭП может быть представлена только приемной частью (рис. 10,6). В ряде случаев некоторые звенья (4, 6, 8, 10) могут отсутствовать или располагаться в другом порядке (2, 3, 6, 7), т. е. может иметь место иная последовательность прохождения сигнала через звенья оптической системы. (Такие звенья на рис. 10 показаны пунктиром.) 5*
67
Рассмотрим назначение отдельных звеньев типовой оптической системы ОЭП. Важнейшей частью оптической системы любого ОЭП является объектив, который служит для сбора лучистой энергии и образования изобра-
V
/
Г - - 1
И т
)
Г - - 1
Г - 1
Г - - 1
I
1 I
1 I
1
и f w Ы 7 W i W 3 ы } U /ffi I II II 1 I II II II I Ж
Р и с . 10. С т р у к т у р н ы е с х е м ы о п т и ч е с к и х с и с т е м о п т и к о - э л е к т р о н н ы х п р и б о р о в при а к т и в н о м (а) и пассивном (б) м е т о д а х р а б о т ы : / — п е р е д а ю щ а я система (осветитель): / — источник излучения (света). 2 — модулятор, 3 — ф и л ь т р , 4 — оптическая система осветителя; / / — о б ъ е к т исслед о в а н и я : / / / — приемная система: 5 — объектив, 6 — компенсатор, 7 — а н а л и затор, 8 — конденсор; IV — э л е к т р о н н а я система. 9 — приемник излучения. 10 — у с и л и т е л ь сигнала.
Рис.
11. П р о с т е й ш а я
схема оптической системы
ОЭП.
жения наблюдаемого объекта (или пространства объектов). Лучистый поток, собранный объективом, непосредственно им ж е может быть направлен на приемник излучения. Простейшим случаем является расположение чувствительного слоя приемника в фокальной плоскости объектива или в непосредственной близости от нее (рис. 11). Однако такой простой оптической схеме присущ ряд недостатков. Во-первых, размер приемника должен быть 68
слишком большим, что ухудшает его порог чувствительности (при увеличении площади чувствительного слоя возрастают шумы приемника); во-вторых, при изменении угла падения лучей р на входной зрачок изображение удаленного источника, имеющее малый размер, будет переходить с одного участка чувствительного слоя приемника на другой, а при этом из-за неравномерности чувствительности по площади возникает неконтролируемое изменение выходного сигнала — т а к называемый шум из-за неравномерности чувствительности по слою. Наконец, в ряде случаев в фокальной плоскости объектива необходимо располагать не чувствительный слой приемника, а устройство, анализирующее закон распределения освещенности в изображении и называемое оптическим анализатором. При этом приходится отодвигать приемник, что ведет к нежелательному увеличению площади его чувствительного слоя. Иногда необходимо уменьшить влияние перемещения изображения вдоль оси системы (при взаимном сближении или удалении объектива и источника) на сигнал, чего довольно трудно достичь в схеме, представленной на рис. 11. Д л я устранения всех указанных вредных явлений, т. е. д л я увеличения на выходе приемника отношения сигнал/шум, в приемной оптической системе используют специальные оптические элементы, трансформирующие световой пучок после объектива. Эти элементы принято называть конденсорами. Их основное назначение состоит в уменьшении площади чувствительного слоя приемника и в устранении влияния неравномерности чувствительности. О б щ а я схема оптической системы (в тонких компонентах) с конденсором представлена на рис. 12. В данном случае конденсор переносит изображение входного зрачка, положение которого принято близким к главной плоскости объектива, в плоскость чувствительного слоя приемника. В плоскости изображения удаленного источника помещается растр анализатора изображений. Расчет габаритных параметров оптической системы с конденсором описан в [58]. Д л я уменьшения площади чувствительного слоя и устранения влияния неравномерности чувствительности приемника в приемной оптической системе иногда используют т а к ж е иммерсионные приемники, волоконно-оптические световоды, оптические ловушки [58].
При перемещении наблюдаемого объекта в поле зрения объектива приемной оптической системы его изображение будет т а к ж е перемещаться. Д л я осуществления точного наведения на излучатель желательно компенсировать это перемещение, приводя изображение излучателя к центру поля зрения. Д л я этого часто применяется специальный оптический компонент, поворотом или смещением которого достигается компенсация сдвига изображения. Такое устройство (оптический компонент) называется компенсатором.
f'
A
S
•-S
Рис. 12. Приемная оптическая система с конденсором.
Применение компенсатора в ОЭП позволяет проводить измерения так называемым нулевым методом, например осуществлять точное наведение на излучающий объект по минимуму выходного сигнала. При этом возможно отказаться от прямого метода измерений, для которого точность определяется постоянством амплитудных параметров системы (яркости излучателя, прозрачности среды, пропускания оптических элементов, чувствительности приемника и др.). Кроме того, применение компенсатора позволяет иногда увеличить размеры линейной зоны статической (пеленгационной) характеристики измерительного ОЭП — зависимости выходного сигнала от рассогласования на входе, что является существенным при работе ОЭП в составе автоматического комплекса. В качестве компенсаторов применяются плоскопараллельные пластинки, помещаемые перед объективом или после него, вращающиеся или поступательно перемещающиеся вдоль оптической оси клинья и другие оптиче-
ские элементы. Формулы для расчета параметров некоторых компенсаторов, а т а к ж е для расчета точности компенсации приведены в литературе [18, 58]. Д л я получения информации о свойствах излучателя иногда необходимо провести анализ закона распределения освещенности в его изображении. В одних случаях целью этого анализа является определение энергетического центра тяжести изображения, в других необходимо выявить периодичность пространственной структуры изображения и т. д. Решение этих з а д а ч производится с помощью всего ОЭП, однако образование оптического сигнала, параметры которого определенным образом связаны с параметрами изображения излучателя, часто происходит в специальном узле оптической системы — анализаторе изображения. После прохождения анализатора лучистый поток преобразуется по одному из своих параметров таким образом, что изменение этого параметра функциональным образом соответствует изменениям отслеживаемого параметра излучателя. Например, изменения амплитуды потока соответствуют изменениям угла между направлением на излучатель и оптической осью объектива. Поскольку полученный на выходе анализатора оптический сигнал в виде потока должен быть преобразован в приемнике в электрический сигнал, являющийся функцией времени, параметр оптического сигнала (потока), несущий полезную информацию, должен быть т а к ж е функцией времени. Преобразование потока в функцию времени осуществляется обычно путем периодического изменения прозрачности анализатора или путем последовательного обзора пространства объектов (с помощью сканирования). С этой целью многие оптические анализаторы выполняют в виде растров (диафрагм с периодическим изменением прозрачности). При относительном взаимном перемещении такого растра и изображения излучателя анализ изображения сопровождается модуляцией лучистого потока. Поэтому такие растры анализаторов иногда являются т а к ж е модуляторами. Анализаторы можно классифицировать по тому параметру сигнала, который с их помощью видоизменяется для получения полезной информации. Наиболее распространены амплитудные анализаторы в виде светоделительных блоков и пирамид (двумерные а н а л и з а т о р ы ) , амплитудно-фазовые анализаторы в виде полудиска и
периодических радиально-звездных и линейных растров, фазовые анализаторы в виде узких сканирующих щелей. Конструкции некоторых анализаторов будут описаны в § 4.4. Весьма перспективным представляется создание анализаторов, совмещенных с приемником излучения. В этом случае упрощается оптическая схема прибора, уменьшаются потери энергии, увеличивается помехозащищенность системы. Практически в любом ОЭП присутствует оптический фильтр. Оптическим фильтром принято называть устройство, с л у ж а щ е е для изменения спектрального состава или ослабления проходящего через него лучистого потока. Фильтры, изменяющие спектр излучения, называются спектральными, а фильтры, ослабляющие поток без заметного изменения его спектра, — нейтральными. Р о л ь оптического фильтра в современном О Э П чрезвычайно велика. Фильтр является важнейшим элементом спектральной селекции, позволяющей выделить излучение исследуемого объекта на фоне других излучений. Используя фильтр, мы, с одной стороны, увеличиваем отношение сигнал/шум, но с другой стороны, уменьшаем поток, попадающий на приемник излучения. З а д а ч а конструктора ОЭП состоит в том, чтобы путем правильного выбора фильтра получить максимально возможное отношение сигнал/шум при минимальных потерях полезного сигнала.
4.2. ПЕРЕДАЮЩИЕ ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
При работе ОЭП активным методом практически всегда приходится дополнять источник излучения специальной оптической системой, предназначенной, главным образом, д л я пространственного перераспределения потока. Эту систему принято называть передающей, светооптической или осветительной. Необходимость ее использования возникает из-за значительной расходимости излучения большинства источников, что не позволяет свести к минимуму потери потока на пути от излучателя до исследуемого объекта, а затем до приемной оптической системы. В ряде случаев передающая оптическая система необходима для обеспечения условий ка-
чественной модуляции потока непосредственно у источника, для выделения оптимального участка спектра излучения источника до посылки сигнала к объекту и т. п. В состав передающей оптической системы могут входить формирующие пучок оптические звенья (объективы, конденсоры), модуляторы, оптические фильтры. Иногда сам источник конструктивно входит в состав оптической передающей системы (например, оптический квантовый генератор, зеркальные лампы н а к а л и в а н и я ) .
Наиболее часто передающая оптическая система д о л ж н а формировать параллельный или близкий к параллельному пучок. При этом достигается увеличение силы излучения в направлении оси выходящего пучка, что позволяет улучшить энергетические соотношения в системе, например увеличить дальность действия прибора, уменьшить габариты приемной системы. При работе оптико-электронной системы с параллельными пучками стабилизируется положение изображения при изменении расстояния до объекта, исключается ряд нежелательных явлений. Простейшая передающая оптическая система может состоять из источника (излучающего тела, тела н а к а л а лампы и т. д.) и формирующего пучок объектива. Источник располагается вблизи фокуса объектива. На рис. 13 представлена схема такой системы, причем главные плоскости объектива и плоскость выходного зрачка взяты совпадающими. Облученность в плоскости изображения источника d' определяется выражением Е ' = TttoXcL' sin 2 U', (4.1) где То и т с — коэффициенты пропускания оптики и среды соответственно; L'= (п'/п)2Ь-, п и п' — показатели пре-
Ломления оптических сред по обе стороны обьектива; L — яркость источника, имеющего размер d\ sin U'^ ~-Овых/2/'. При круглой форме выходного зрачка (4.1) можно переписать: Е ' = xcx0L' ^
=
±
-
-Ь-,
(4.2)
т. е. такая система эквивалентна точечному источнику с осевой силон излучения / 0 = т 0L'sBUX.
(4.3)
Рис. 14. Схема передающей системы с конденсором.
Формула (4.3) хорошо известна в светотехнике как формула М а н ж е н а — Чиколева. Она оправедлива для больших расстояний, т. е. для / ' > / ' к р . Обычно /'кр= = ( 5 0 — 7 0 ) / ) в ы х . Из этой формулы очевидна целесообразность увеличения площади выходного зрачка системы Явых и яркости источника L. Методы расчета оптических передающих систем подробно изложены в специальной литературе, в частности в [12]. Следует иметь в виду, что в большинстве ОЭП в отличие от проекционных систем размеры проецируемой в пространство объектов диафрагмы весьма невелики. Поэтому в ОЭП часто можно использовать сравнительно несложные конструкции конденсоров и объективов. В общем виде наиболее распространенная оптическая схема передающей части ОЭП при использовании некогерентных источников состоит из конденсора, предназначенного для сбора максимального количества энергии, создаваемой источником, и объектива, формирующего выходной пучок. На рис. 14 приведена одна из типовых подобных схем. В качестве конденсора передающих систем (или их части) иногда используются зеркальные о т р а ж а т е л и с большим углом охвата, достигающим порой 270—300° (при асферической форме отражающей
поверхности). Однако из-за сравнительно небольших апертур объективов достичь малой расходимости выходного пучка лучей в таких системах весьма трудно, так как аберрации здесь из-за большого увеличения велики. Поэтому линзовые конденсаторы, имеющие меньшие углы охвата, позволяют порой создать более направленные пучки, причем потери энергии в конденсаторе компенсируются благодаря уменьшению расходимости выходного пучка, а т а к ж е б л а г о д а р я лучшему согласованию апер-
Рис. 15. Передающая система с ОКГ.
тур конденсора и объектива. (О потерях потока при отсутствии такого согласования см., например, [57].) При использовании в качестве источника излучения О К Г передающая оптическая система необходима для уменьшения или увеличения угла расхождения пучка лучей, выходящих из ОКГ. Иногда она используется для фокусировки этих лучей. Поскольку пучок лучей О К Г не является гомоцентрическим, проектирование передающей оптической системы в этом случае обладает определенной спецификой. Часто выходное отверстие О К Г рассматривают как диафрагму, из которой выходят осевые и наклонные пучки параллельных лучей. Д л я уменьшения угла расхождения этих пучков используются афокальные линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые системы [5, 24]. Ч а щ е всего такие системы аналогичны телескопическим системам (рис. 15). Их увеличение равно Г = 2р'/2р, причем 2(5 — угол расхождения лучей О К Г ; 2(5' — угол расхождения лучей на выходе передающей оптической 75
системы. Д и а м е т р пучка лучей на выходе телескопической системы равен
d'=dir, где d — диаметр пучка на выходе ОКГ.
4.3. ЗАВИСИМОСТЬ КАЧЕСТВА ИЗОБРАЖЕНИЯ ОТ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
От качества изображения наблюдаемого объекта, например визирной марки, зависят важнейшие параметры и характеристики всего прибора, например дальность действия, точность измерения, помехозащищенность. Д а леко не всегда необходимо стремиться к получению изобр а ж е н и я очень высокого качества, однако всегда следует четко представлять связь качества изображения, создаваемого оптической системой, и в первую очередь объективом, с параметрами оптических элементов. Поскольку некогерентный источник можно рассматривать как совокупность отдельных точечных излучателей, качество изображения, создаваемого оптической системой, можно оценить кружком рассеяния — картиной (или функцией) распределения освещенности в изображении точечного излучателя. Р а з м е р к р у ж к а рассеяния и распределение освещенности в нем определяются дифракцией, являющейся следствием волновой природы света, и аберрациями, т. е. искажениями фронта световой волны, зависящими от геометрических параметров оптических компонентов и от дисперсии оптических материалов. Аберрации могут быть уменьшены до допустимых пределов путем изменения радиусов кривизны и толщины оптических деталей и промежутков между ними путем подбора оптических материалов. В то ж е время дифракция определяется размером диафрагм, ограничивающих световые пучки, и именно она определяет минимально достижимый размер к р у ж к а рассеяния, т. е. качество идеальной безаберрационной оптической системы. Теоретически предельно минимальным диаметром к р у ж к а рассеяния принято считать диаметр центрального яркого пятна в дифракционной картине изображения точки (диска Эри), угловой размер которого для объек76
тива с круглым входным зрачком 2 Д Х = 1,22A/Dbx.
(4.4)
Здесь 2ДХ измеряется в радианах, а длина волны Я и диаметр входного зрачка D B I — в одинаковых единицах. Радиус диска Эри в фокальной плоскости объектива можно найти, умножив его угловой размер Д х на фокусное расстояние объектива. Д л я раздельного восприятия (разрешения) двух точечных объектов в идеальной оптической системе часто считают необходимым, чтобы максимум диска Эри для одного изображения совпадал с первым минимумом (первым темным кольцом) в изображении второго объекта. Тогда минимальный разрешаемый угол между двумя точечными объектами а = 1 , 2 2 X/Djsx,
(4.5)
где единицы измерения такие же, как и в (4.4). Из анализа этой простейшей формулы очевидно преимущество по разрешающей способности оптической угломерной системы перед радиолокационной, так как при сравнимых габаритах, т. е. одинаковых DBX, длина волны X в оптическом диапазоне гораздо меньше. В большинстве практических случаев размер кружка рассеяния определяется аберрациями системы, но не дифракционными явлениями, поэтому очень важно свести значения основных аберраций к минимуму. К этим аберрациям относятся. Монохроматические
аберрации:
1) сферическая аберрация, состоящая в том, что лучи, выходящие из одной точки на оси и проходящие через оптическую систему на различных расстояниях от оси, не собираются вновь в одну точку; 2) кома, з а к л ю ч а ю щ а я с я в том, что изображение точечного объекта, расположенного вне оси, несимметрично; кружок рассеяния приобретает форму кометы; 3) астигматизм, состоящий в том, что внеосевая точка дает изображение в виде двух взаимно перпендикулярных линий, расположенных в различных плоскостях; 4) кривизна поля, з а к л ю ч а ю щ а я с я в том, что изображение плоского объекта л е ж и т на криволинейной поверхности;
5) дисторсия, состоящая в том, что прямые линии, не проходящие через центр поля зрения, изображаются кривыми. Хроматические
аберрации:
1) хроматизм положения, заключающийся в том, что положение изображения точки на оси различно для разных длин волн; 2) хроматизм увеличения, заключающийся в зависимости поперечного размера изображения от длины волны. Д. Д. Максутов [32] приводит следующие формулы аберраций для простых систем: сферическая аберрация — pi = 0,125 kl (DBJf)3; 2 кома — р 2 = 0 , 2 5 £ 2 (£>вх/П Р; астигматизм — р3 = а э — b 3 = k 3 { D B J f ) р2; кривизна поля — р 4 = 0 , 2 5 ki(DBXff') р2; (4.6) дисторсия — А = &5р3; хроматизм положения — рx = £eD B x//'; хроматизм увеличения — Д/ х =& 7 [3, где DBX/f' — относительное отверстие; р — угол поля зрения; ая и ba — оси эллиптического изображения точки; Pi — радиус кружка рассеяния; — коэффициенты аберраций; А — смещение изображения точки от положения, определяемого идеальной оптической системой, вследствие отклонения истинного увеличения от увеличения в идеальной системе; Д/ х —разность размеров изображений одного и того же отрезка объекта для двух лучей различных цветов. Приведенные формулы помогают определить влияние тех или иных аберраций в каждом конкретном случае. Например, в узкопольной системе с малым р в первую очередь обычно нужно устранять сферическую аберрацию, которая при больших значениях относительного отверстия может достигать десятых долей миллиметра. При увеличении диапазона длин волн, в котором работает система, необходимо учитывать изменение показателя преломления п и возникающие в связи с этим хроматические аберрации отдельных компонентов системы. Устранять хроматизм возможно не только обычной коррекцией, заключающейся в совместном использовании элементов с дисперсией различного знака (напри78
мер, ахроматизированные дублеты), но и выбором материала с постоянным значением п в интересующем разработчика диапазоне спектра. Одним из наиболее перспективных путей улучшения качества изображения, т. е. уменьшения аберраций без увеличения общего числа компонентов оптической системы, является применение асферических поверхностей, например параболических. Формулы (4.6) сохраняют свой вид и для систем, образованных асферическими поверхностями, при этом изменяются выражения коэффициентов аберраций. Методы расчета этих коэффициентов и уменьшения аберраций описаны в специальной литературе [42]. Здесь важно отметить, что при использовании асферических поверхностей размер аберрационного к р у ж к а рассеяния пропорционален относительному отверстию и углу поля зрения т а к же, как и в случае сферических поверхностей. В простейших оптических системах (одиночная линза, зеркало) невозможно устранить одновременно все упомянутые виды аберраций. Увеличивая число элементов, т. е. у с л о ж н я я оптическую систему, можно, варьируя большим числом радиусов кривизны, толщин, материалами, уменьшить большее число аберраций. Поэтому оптические системы, дающие хорошее качество изображения, являются достаточно сложными. Д л я оценки качества оптической системы ОЭП часто необходимо знать не только размер к р у ж к а рассеяния, но главное — распределение освещенности в этом кружке. Если это распределение известно, то можно найти передаточную функцию оптической системы. Эта функция описывает изменение контраста в изображении идеальной черно-белой синусоидальной решетки (решетки, яркость которой меняется по синусоидальному закону вдоль одной из осей координат) при изменении частоты решетки, т. е. частоты штрихов. Эта частота, обратная периоду решетки, называется пространственной частотой. Оптическую передаточную функцию называют т а к ж е частотно-контрастной характеристикой ( Ч К Х ) . Закон распределения освещенности в изображении точечного источника и ЧКХ связаны между собой преобразованием Фурье. Использование оптической передаточной функции позволяет применить к оптической системе и электронным звеньям единую теорию.
4.4. ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
В § 4.1 было кратко рассмотрено назначение отдельных элементов оптической системы ОЭП. Остановимся подробнее на конструктивных особенностях типовых элементов. Объективы. При выборе конструкции объектива на практлке всегда приходится искать оптимальное решение как с точки зрения надежности и стабильности конструкции, улучшения пропускания, т. е. уменьшения потерь потока, так и исходя из требований обеспечения нужного качества изображения. Первые условия приводят к необходимости максимально упрощать систему, уменьшать количество компонентов объектива, но для обеспечения хорошего качества изображения приходится применять достаточно сложные, многокомпонентные системы. Поэтому при выборе конструкции объектива необходимо установить разумный компромисс. Д л я оценки возможностей обеспечения этого компромисса кратко рассмотрим наиболее распространенные схемы объективов оптико-электронных систем. Их можно разделить на три большие группы: линзовые, зеркальные и зеркально-линзовые. Простейшим объективом является одна линза. Основным ее недостатком является плохое качество изображения, т а к как ей присущи все виды аберраций, из которых особенно велики хроматизм и сферическая аберрация. Гораздо лучшего качества изображения в результате устранения хроматизма и уменьшения сферической аберрации и комы позволяют добиться сравнительно простые двухлинзовые склеенные и расклеенные объективы. Их относительное отверстие DBX/f обычно не превышает 1 : 3 при угле поля зрения около 10° и диаметре входного зрачка не более 100—150 мм. Д л я достижения хорошего качества изображения при больших углах поля зрения следует применять более сложные системы (триплеты, многокомпонентные объективы и т. д.), обладающие, правда, худшим пропусканием. Достоинствами линзовых систем являются: возможность хорошей аберрационной коррекции, большие поля зрения, технологическая простота конструкции (проще сборка и юстировка, больше нерасстраиваемость из-за темнературных воздействий и т. п.), возможность совме-
щения функции защитного стекла и первого компонента. В то ж е время линзовым системам присущи такие недостатки, как большое селективное поглощение в ряде участков оптического спектра, сравнительно большие хроматические аберрации, большие продольные габариты. Эти недостатки отсутствуют у зеркальных систем, основными достоинствами которых являются возможность работы в широком спектральном диапазоне с малыми потерями потока, а т а к ж е отсутствие хроматизма и меньшие продольные габариты. Одиночное зеркало часто используется в качестве простейшего объектива, особенно, если оно является параболическим. Довольно широко используются и более сложные зеркальные системы (система Гершеля, з е р к а л ь н а я система Кассегрена и др.) [32], основным недостатком которых является экранирование части приходящего на объектив пучка лучей либо приемником, либо вторичными о т р а ж а т е л я м и (контррефлекторами). Кроме того, д л я большинства зеркальных систем характерна некоторая технологическая усложненность по сравнению с однотипными линзовыми объективами. При использовании зеркальных асферических поверхностей возможно получить хорошее качество изображения для довольно больших относительных отверстий ( 1 : 2 ) при углах поля зрения в несколько градусов. Многие достоинства линзовых и зеркальных систем как бы объединены в зеркально-линзовых системах, где наряду с хорошим пропусканием можно достичь больших относительных отверстий и значительных углов поля зрения. Простейшей зеркально-линзовой системой является зеркало М а н ж е н а — зеркало, у которого отражающий слой помещен на заднюю поверхность. Более сложными являются системы Шмидта (рис. 16,а) и Максутова (рис. 16,6). В системе Шмидта в центре кривизны сферического з е р к а л а помещена асферическая пластина, устраняющая сферическую аберрацию з е р к а л а . В системе Максутова все поверхности являются сферическими, что существенно упрощает ее изготовление. В обеих системах хорошее качество изображения достигается при относительных отверстиях 1 : 1 и углах поля зрения до 25° [32]. В табл. 9 приведены параметры некоторых распространенных на практике объективов. 6—783
81
Конденсоры. В § 4.1 указывалось, что конденсоры в приемных оптических системах О Э П с л у ж а т д л я уменьшения размера чувствительной площадки приемника и устранения влияния неравномерности чувствитель-
Рис. 16. Система Шмидта (а) и Максутова (б).
ности по этой площадке. В [58] приведены формулы д л я расчета важнейших габаритных параметров конденсора. Если в системе без конденсора, где приемник излучения Таблица
9
П-5 Р-109-1А СЖП-2-70-1 Орион-15 Рус cap МР-2 Юпитер-12 Гелиос-44 МТО-500 МТО-ЮОО Таир-11 Триплет Т-43 Индустар-11М1 Индустар-50
120,3 49,93
70,08 27,94 19,71 35,7
58,6 500,7 1000,8 133,2 41,78
301,24 52,4
°вх
V
1 2 1 1,2
1 2 1 6 1 5,6 1 2,8 1 2 1 8 1 10 1 2,8 1 4 1 9 1 3,5
2?. град
14 14 42 75 95
63 40 5 2,5 18 55 45 45
0,9
0,82 0,7 0,8 0,7 0,75 0,81 0,58 0,58 0,8 0,87 —
0,8
ЛИН -•1М f"
в цент- на краю ре поля поля
16 12
4 6 10 4 6 6 6 4 4 4
19
3
227
8
4 4
665 126
90 90 90
40 45 45
45
18 20 18
32
36 35 35 28 28 45 20 38
Масса, г
/ ' , мм
Разрен лающая спосо(5ность, 1
Число лщэ
Тип объектива
Коэффициент пропускания
Параметры некоторых объективов
14 22
22
1430 350 7100 80 95 130
230 1500 3900 560
располагается в фокальной плоскости (рис. 11), размер его чувствительной площадки h определяется фокусным расстоянием объектива f и углом поля зрения 2р, т. е. /i = 2 / ' t g р,
то в схеме с конденсором (рис. 12) этот р а з м е р совпадает с р а з м е р о м выходного з р а ч к а с? вых всей системы. З н а я р а з м е р чувствительного слоя п р и е м н и к а dBЫх, диаметр входного з р а ч к а о б ъ е к т и в а D BX и в ы б и р а я расстояние А м е ж д у ф о к а л ь н о й плоскостью о б ъ е к т и в а и конденсором из конструктивных с о о б р а ж е н и й , н а п р и м е р из условия р а з м е щ е н и я в этом п р о м е ж у т к е оптического а н а л и з а т о р а 1 а , фокусное расстояние конденсора f'„ м о ж но определить из ф о р м у л ы (4.7)
где / ' — фокусное расстояние о б ъ е к т и в а . денсатора
Диаметр
DK = 2 ( / ' + A ) t g ( 3 - f Д О в х / Г
кон(4-8)
Н а п р а к т и к е часто применяется схема с телецентрическим ходом лучей, подробно р а с с м о т р е н н а я в [57]. Д л я этого частного с л у ч а я ^ В ых=-ОвхГк/Г> о т к у д а f'K=f'd™JDBX. Д л я с р а в н и т е л ь н о простых конденсоров ное значение у г л а поля зрения 2pK = 2pD B x/d BH x
(4.9) максималь(4.10)
не п р е в ы ш а е т 45—60°. В в о д более с л о ж н о г о конденсора (трехлинзового и более) приводит к б о л ь ш и м потерям лучистой энергии. П о э т о м у д л я решения з а д а ч , поставленных в н а ч а л е н а с т о я щ е г о п а р а г р а ф а , помимо конденсоров, используются и другие средства, н а п р и м е р иммерсионные системы (иммерсионные п р и е м н и к и ) , волоконно-оптические светопроводы, оптические л о в у ш к и [58]. Оптические а н а л и з а т о р ы . Д л я получения информации о пространственном положении н а б л ю д а е м о г о о б ъ е к т а в приемную оптическую систему О Э П вводятся спец и а л ь н ы е элементы, с л у ж а щ и е д л я а н а л и з а распределения освещенности в плоскости и з о б р а ж е н и й и н а з ы в а е мые а н а л и з а т о р а м и . Р а с с м о т р и м некоторые из них. П у с т ь в поле з р е н и я о б ъ е к т и в а 1 (рис. 17,а) имеются три п р я м о у г о л ь н ы х визирных цели. В плоскости изображ е н и я 2 о б ъ е к т и в а они и з о б р а ж а ю т с я так, к а к это пок а з а н о на рис. 17,6. П р е д п о л о ж и м , что освещенность их одинакова. Тогда, п о м е щ а я перед приемником излучения 3 непрозрачный э к р а н с узкой прозрачной щ е л ь ю 4 и п е р е м е щ а я эту щ е л е в у ю д и а ф р а г м у вдоль оси х с постоянной скоростью v, м о ж н о на входе приемника 6*
83
получить световые импульсы, соответствующие визирным целям. Их форма и расположение на временной оси показаны на рис. 17,е. При постоянстве v временные координаты импульсов ti строго соответствуют их линейным координатам U, т. е. измеряя временную координату или временные промежутки между импульсами, можно найти координаты це-
lA tf
н
+
3
Рис. 17. К объяснению работы анализатора-щели.
лей в поле зрения (по оси л:) или расстояние между ними. Иначе говоря, в такой системе информация о положении визирной цели з а л о ж е н а в фазе соответствующего импульса, отсчитываемой от выбранного нами начала отсчета t= О (/ = 0). Щ е л ь здесь выполняет функции время-импульсного анализатора, способствующего выделению полезной информации. Нетрудно заметить, что из-за неидентичности ориентации среднего изображения и крайних форма и амплитуда среднего импульса отличаются от формы и амплитуды крайних. С помощью щелевого анализатора и довольно несложных электронных устройств можно выделять информацию об ориентации изображения в поле зрения, содержащуюся, например, в амплитуде импульса. Однако по ряду причин такие анализаторы в виде узких щелей, «просматривающих» (сканирующих) поле зрения, используются на практике преимущественно как время-импульсные анализаторы. 84
П р и м е р о м распространенного амплитудного а н а л и з а тора, т. е. а н а л и з а т о р а , п о з в о л я ю щ е г о выделить полезную и н ф о р м а ц и ю , с о д е р ж а щ у ю с я в а м п л и т у д е с и г н а л а , м о ж е т с л у ж и т ь светоделительный блок. Схема простейшего О Э П д л я определения н а п р а в л е н и я на энергетический центр и з л у ч а т е л я , в котором используется т а к о й 11 г г
,0ff-a 15
У
\
Фц'О-
/
X 1
Фа=Ф'
ж
ФятВ в Рис. 18. К блока.
объяснению
работы
б анализатора — светоделительного
а н а л и з а т о р , п р е д с т а в л е н а на рис. 18,а. Изображение прямоугольной визирной м а р к и строится объективом / в ф о к а л ь н о й плоскости, где помещено ребро светоделительного блока п р и з м ы - а н а л и з а т о р а 2. Весь поток Ф делится а н а л и з а т о р о м 2 на две части — Ф а и Фб, попад а ю щ и е на идентичные фотоприемники 3. С и г н а л ы с при85
емников поступают на блок сравнения 4, на выходе которого образуется их разность. Пропорциональный этой разности Ф а - б сигнал с выхода блока сравнения поступает на индикатор 5. Очевидно, что при смещении визирной марки с оптической оси системы ее изображение будет смещаться относительно ребра анализатора (рис. 18,6). Разность потоков Ф а и Фб будет меняться пропорционально этому смещению, т. е. пропорционально угловому рассогласо-
ванию между оптической осью и направлением на энергетический центр марки, до тех пор, пока изображение не перейдет целиком на одну из граней светоделительного блока. При равномерной освещенности изображения зависимость выходного сигнала от входного рассогласования (статическая, или пеленгационная характеристика) имеет вид, представленный на рис. 18,е. Примером анализатора, использующего фазу сигнала для кодирования и выделения полезной информации, является вращающийся полудиск, устанавливаемый в плоскости изображений (рис. 19). При вращении полудиска 1 вокруг оптической оси происходит периодическое изменение амплитуды сигнала, поступающего на приемник излучения 2. При смещении изображения в виде круга с оптической оси, т. е. от центра полудиска, будет меняться амплитуда и форма сигнала (положения /—IV на рис. 20). При изменении фазового угла изобр а ж е н и я ф (угла между начальным положением ф = 0 ребра полудиска и положением ребра при пересечении центра изображения) меняется ф а з а сигнала. На рис. 20 86
фаза сигнала изменилась от <р = я / 2 (положения II—IV) до ф = Зл/4 (положение V). Если с валом двигателя 3, вращающего полудиск, жестко связать генератор опорного н а п р я ж е н и я 4, вырабатывающий сигнал и4, фаза которого постоянна, то, сравниаая фазы электрических сигналов и2 (на выходе приемника) и ы4 в специальном электронном блоке 5 (фазочувствительном детекторе), на выходе (индикатор 6), можно получить информацию о фазовом угле изображения визирной марки. С помощью фазочувствительных детекторов легко р а з л о ж и т ь полученный сигнал рассогласования на составляющие, пропорциональные смещению изображения по осям х и у. В силу ряда причин, о которых говорится дальше,
амплитуду сигнала как носитель полезной информации обычно не используют. Здесь были рассмотрены простейшие, но весьма характерные примеры анализаторов. Более сложные элементы и системы рассмотрены в специальной литературе [9, 29, 31]. У к а ж е м лишь еще раз, что очень перспективным является совмещение функций анализатора и приемника излучения в одном элементе. Примерами могут служить рассматриваемые в гл. 5 позиционно-чувствительные приемники, а т а к ж е передающие телевизионные трубки. Компенсаторы. В рассмотренных примерах, иллюстрирующих работу анализаторов, амплитуда сигнала менялась в зависимости от измеряемого рассогласования — смещения изображения визирной марки с оптической оси объектива. В то ж е время эта амплитуда может меняться и по другим причинам, например из-за изменений яркости источника, прозрачности среды на пути от источника к объективу, пропускания оптики, чувствительности приемника и т. п. Повторяя рассуждения, приведенные при рассмотрении рис. 18,в для различных освещенностей или потоков Ф, образующих изображение визирной марки, легко убедиться, что указанные выше изменения параметров измерительной системы приводят к изменению крутизны линейной зоны статической характеристики. На рис. 21 в качестве примера приведено семейство статических характеристик при различных освещенностях изображения Ev для системы, представленной на рис. 18,а. Очевидно, что одному и тому же сигналу Фг- может соответствовать множество рассогласований Xi. Д л я достижения однозначной связи между рассогласованием Xi и сигналом Ф, необходимо, чтобы крутизна статической характеристики к = й Ф ^ й х была постоянной. Эту задачу можно решить, если ввести в состав оптической системы компенсатор — устройство для компенсации сдвига изображения излучателя. Примеры некоторых компенсаторов приведены на рис. 22. Компенсатор располагается перед объективом или между объективом и анализатором. Обычно компенсация сдвига изображения осуществляется путем изменения положения компенсатора (поворот, линейное смещение), что приводит к изменению направления или смещению лучей, образующих изобра-
жение излучателя. При этом независимо от значения E v изображение возвращается в исходное, нулевое положение. Чем больше сдвиг, тем больше должен повернуться или сместиться компенсатор. И з м е р я я этот поворот или смещение а и зная масштаб преобразования «рассогла-
ф
, Ev,
Evi>Ev2>Evi
EV2 *>i
Evi
A^ri i i *i1*iZ Чъ
Рис. 21. Семейство статических (пеленгационных)
X
характеристик.
сование на входе прибора (Р) — с и г н а л на выходе индикатора рассогласования (а)», можно измерить сдвиг или рассогласование р. М а с ш т а б этого преобразования может быть сделан достаточно большим, т. е. малым значениям р могут соответствовать большие значения а. Основными параметрами компенсатора, з н а я которые можно оценить целесообразность его использования в ОЭП, являются крутизна K=da/dр статической (пеленгационной) характеристики а = / ( Р ) (для линейной зоны этой характеристики ее иногда называют масштабом преобразования), а т а к ж е диапазон линейной статической характеристики. Величины р и а необходимо представлять в одних и тех ж е единицах, например для углоизмерительных приборов в угловых. В табл. 10 даны формулы для вычисления параметров некоторых компенсаторов [18]. В этой таблице и на рис. 22 обозначено: р — угол рассогласования на входе оптической системы, а — угол поворота компенсатора, ДРл — допуск на линейность статической характеристики, f — фокусное расстояние объектива системы, s — шаг винта, п — показатель преломления материала, из которого изготовлен оптический компенсатор, d — толщина
плоскопараллельной пластинки, а — преломляющий угол клина, х — линейное смещение компенсатора, е = Г—1 (Г — видимое увеличение телескопической линзы с фокусным расстоянием f'n), i — угол падения лучей на прел о м л я ю щ у ю грань клина, Др м — методическая погрешность вычисления параметров компенсатора. Приведенные в табл. 10 формулы позволяют рассчитать ошибку, вносимую компенсатором в результат измерения угла р, по минимальному числу параметров. Возможно т а к ж е по заданному значению этой ошибки определить оптимальные с точки зрения точности параметры компенсатора. Эти ж е формулы могут служить для сравнения различных типов компенсаторов.
Рис. 22. Оптико-механические компенсаторы.
X r S 4CN X
-
с | в sA ~
1 1
x с s A За
P о |
X Я
4 Ш
goi? О к Оо в р - 5ass *s ёhs 4 Яга
CO <
-й
OCX.
<3 C O
"a
Л— о go сЯЗ о^g ~ e( «
X
+ "И S II H CQ. CO.
«
S СЧ Q.
О X щ
а
е
X | яс
01
О оо Й м ajs сл^ R « о ч m
• о ч
„
+
ъ сл <м 1 с СЯ в ся
5
i™s
х
+
>> о х Ч3 £ К 0)Зо S 5* и
3 га О. К § « с XL ш чО &S ы: X Л *C —' га к Ч кс к са о 0) « Ч Ч 0Е>JГ> а га о. Ч ъь а
Я X
о <м о О. uх п. s £;
!
L O О I•о N § •'О 5
о со. V -Ь V ?. СО СО О <1 v/ СП. _ С си
а; Я 2 1s с
ч
к
я Ч<1 Ь"л эGSЕ£S С Ьс <== о5 оI
и
И-
оо.е; а (0 C(1-J) + СО см
ГО^
__ Л S 1Л V/ 2О. S
8 V се <3
(I)
+
СО —
<1 С О
— ^ сеоa X о хх В« схо *2со*
х L4 Ь£ иV то
"в — "nSt 1 аз. 1С П.
лО. g ло я 2о X ая н
о V «р 00. < 1
Го
S
1оЛ о т. V —11 СО< sСП. V 5 m Ml no. „ Pi с
is *
3о шо. сЬ оя 85 н o° s_«~S сз -С 3О) Iи с; ш а» >, с Ч Ч
.
в « в 4-» ы+ •*-> w (0
+
ЬЛ о то кто м ОJ S1?ш см O сг то£D"см sС а. те > о с > С S и§ д s £ IV о Й гаJ3 Ф (2 SЭ ч ->> ч а) Ч Ч
СО
81i ьо о V гс-
к ' . ^ Jс к к" Й 0щ а- ки хо я JJ Z §Э ч>>gгака. о С о <и2 со>»=sc= О £ s ^oО вЯ-г s: -г х 5: л 3 3 и Яг ч СЯ С иs с0J яв-О. f- sс=о к < а. cl н я ч о со с« ос 5. S
Оптические фильтры. Оптический фильтр присутствует практически в любом ОЭП. С его помощью осуществляется выделение наблюдаемого излучателя на фоне других, мешающих источников излучения. При этом используется различие в спектрах излучения разных источников. Часто оптический фильтр является средством защиты приемника от чрезмерно больших засветок, разрушающих его чувствительный слой. Основной характеристикой фильтра является его спектральная характеристика — зависимость пропускает длины волны Я проходящего через фильтр излучения. Иногда пропускание фильтра оценивается его оптической плотностью
По виду спектральной характеристики оптические фильтры можно подразделить на полосовые — пропускающие излучение в узкой полосе длин волн; длинноволновые отсекающие — пропускающие излучение с длинами волн, большими заданного предела Лишь коротковолнов ы е — пропускающие излучение с длинами волн, меньшими заданного предельного значения А,МаксВыбор фильтра производится с учетом ряда факторов, важнейшим из которых обычно является стремление подобрать такую кривую х х , при которой с учетом спектра приходящего излучения и спектральной чувствительности приемника, стоящего за фильтром, будет получено максимальное отношение сигнал/помеха. В а ж н о осуществить выбор спектральной характеристики фильтра таким образом, чтобы он не только «отделял» область превышения полезного сигнала над помехой от области преобладания помехи, но и подавлял (ослаблял) спектр излучения помехи. Другими критериями выбора фильтра являются требования к его физико-механическим свойствам, стабильности его характеристик в различных условиях работы. Н е м а л о в а ж н ы м и являются технологичность и стоимость фильтра. Классифицируя оптические фильтры по принципу их работы, можно, в первую очередь, отметить следующие группы: абсорбционные фильтры, интерференционные и поляризационные фильтры, нейтральные фильтры и ослабители. 94
]
•
, * :
{
Все вещества о б л а д а ю т избирательным поглощением в одной или нескольких областях спектра, благодаря чему можно создавать длинноволновые и коротковолновые отсекающие абсорбционные фильтры. Примерами таких фильтров являются фильтры из цветного оптического стекла, окрашенных пластмасс, фильтры из германия, кремния и других оптических материалов. У фильтров этого типа трудно достичь хорошей контрастности и крутизны фронтов спектральной характеристики. Д л я таких фильтров широко применяется просветление. Эти фильтры относительно просты в изготовлении и эксплуатации, характеристики их стабильны, габариты могут изменяться в широких пределах. Интерференционные фильтры. Используя принцип интерференции .света, можно получить фильтр с очень узкой полосой пропускания и высокой контрастностью. Простейший фильтр подобного рода состоит из тонкой пластинки прозрачного диэлектрика (подложки), покрытой с обеих сторон полуотражающими металлическими слоями. Этот фильтр подобен широко известному интерферометру Фабри — Перо. Максимальное пропускание фильтра соответствует длинам волн X, для которых оптическая толщина диэлектрического слоя / кратна Х/2. Из-за потерь в полуотражающих слоях и диэлектрике коэффициент пропускания сильно уменьшается. Пропускание излучения с длиной волны X для простого фильтра можно вычислить по формуле [51]:
Тф
~~ (1 - т„ V ^ Y + 4тр V ^ s l n * ф '
где Ti, Т2 и т р — энергетические коэффициенты пропускания первого и второго полуотражающих слоев и разделяющего их диэлектрического слоя; pi и рг — энергетические коэффициенты отражения металлических слоев со стороны диэлектрика; 2ф = - 4 р У п г - sin5 а* п + ф0 — разность фаз между двумя последовательно интерферирующими лучами; I — толщина подложки из диэлектрика; п — показатель преломления подложки; а* п — угол падения излучения; ч|)0 — фазовый сдвиг при отражении на полупрозрачном слое.
Ширина полосы пропускания интерференционного фильтра может быть уменьшена при увеличении отражающей способности полуотражающего слоя и толщины диэлектрика, но это ведет к уменьшению пропускания Кроме того, возникают побочные полосы пропускания Поэтому простой однослойный интерференционный фильтр заменяется многослойным, где металлические пол у о т р а ж а ю щ и е пленки заменяются несколькими слоями диэлектрических материалов (криолит, сернистый цинк, фтористый магний, германий и др.). Многослойные интерференционные фильтры трудны в расчете и изготовлении, но позволяют получить очень узкие полосы в инфракрасной области (порядка Ю - 3 — Ю - 4 мкм). Иногда интерференционные фильтры работают и на отражение, т. е. с их помощью можно .разделять отраженный и проходящий потоки по длинам волн. Н а р я д у с основной полосой пропускания интерференционный фильтр имеет ряд «паразитных» полос, обычно находящихся в более коротковолновой области. Поэтому целесообразно дополнять интерференционный фильтр отсекающим. Интерференционные фильтры позволяют пропускать довольно широкие световые пучки, причем углы падения лучей на фильтр могут достигать нескольких десятков градусов. Однако при увеличении угла падения свыше нескольких градусов происходит расширение полосы пропускания, ее смещение, а т а к ж е уменьшение максимального пропускания Т м а к с И К О И Т р а С Т Н О С Т И Т М а к с / Т м и н . Характеристики интерференционного фильтра зависят т а к ж е от его температуры. При уменьшении температуры спектральная характеристика фильтра смещается в коротковолновую область, и наоборот, при увеличении температуры — в длинноволновую. Эта зависимость сдвига от температуры в диапазоне ± 6 0 ° С линейна и имеет крутизну (1—3)-10~ 5 мкм/°С. Стабильность характеристик интерференционных фильтров во времени зависит от технологии их изготовления и материалов слоев фильтра. Д л я ряда материалов она достаточно высока [51]. Поляризационные фильтры. Д л я получения очень узкой полосы пропускания (в несколько ангстрем) стали применяться поляризационные (интерференционно-поляризационные) фильтры. Основным элементом таких фильтров является поляризатор, который служит для
пропускания поляризованного излучения через материал, обладающий двойным лучепреломлением и расщепляющий излучение на обыкновенные и необыкновенные лучи. Эти лучи проходят через материал со скоростями, определяемыми соответствующими показателями преломления. Плоскости их поляризации взаимно перпендикулярны, а фазовый сдвиг зависит от скорости распространения луча и толщины материала. Выходящие лучи затем соединяются во втором поляризаторе, и интенсивность пучка на выходе зависит от фазового сдвига между ними. Интерференция дает ослабление, если фазовый сдвиг равен нечетному числу полуволн, и усиление, если он равен четному числу полуволн излучения. Нейтральные фильтры и ослабители. Очень часто требуется уменьшить лучистый поток или разделить его на части, не изменяя спектрального состава. Д л я этих целей с л у ж а т так называемые нейтральные фильтры (светоделители) и ослабители. Наиболее распространенными являются фильтры, в которых используются тонкие пленки хрома, платины, никеля, п а л л а д и я и титана. В области от 0,4 до 1,2 мкм все эти материалы, нанесенные на подложку из стекла, обеспечивают коэффициент пропускания 15—25%. Наилучшими характеристиками в отношении постоянства спектрального коэффициента пропускания о б л а д а ю т платина и титан.
5. ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ 5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Устройство (элемент), предназначаемое для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию, называется приемником излучения. Иногда к приемникам относятся т а к ж е устройства, преобразующие инфракрасное или ультрафиолетовое излучение в видимое, например электронно-оптические преобразователи, эвапорографы, специальные фотопленки. Приемник излучения является важнейшим элементом любого ОЭП. Именно он осуществляет связь между оптической и электрической частями прибора; в нем происходят 7—783
97
основные физические процессы превращения энергии. В большинстве современных ОЭП приемник определяет требования ко всей системе, т. е. в основе конструирования прибора часто л е ж и т выбор приемника излучения. Приемники излучения можно разделить на две большие группы: фотоэлектрические (фотонные, или селективные) и тепловые (неселективные). Принцип действия фотоэлектрических приемников основан на непосредственном изменении их электрических свойств под воздействием излучения. Типичным фотонным приемником излучения является фотоэмиссионный элемент, основанный на явлении внешнего фотоэффекта, при котором электроны вырываются с поверхности чувствительного слоя при его освещении. Свободные электроны могут т а к ж е появиться в твердом теле при поглощении квантов излучения. Это явление называется внутренним фотоэффектом и проявляется, например, в увеличении электропроводности твердого тела (так н а з ы в а е м а я фотопроводимость), что используется в фоторезисторах, в возникновении фото-э. д. с. в области р—я-перехода, образованного определенными веществами, при его освещении, что используется в работе фотодиодов и фототранзисторов. Если ж е носители тока разделяются под действием внешнего магнитного поля, то такие приемники относятся к фотомагнитоэлектрическим. Тепловые приемники излучения т а к ж е можно подразделить на ряд групп. Так, приемники, в которых используется термоэлектрический эффект, отличаются от приемников, в которых используется изменение сопротивления чувствительного элемента при изменении температуры. Первые обычно называются просто термоэлементами, вторые — болометрами. Существуют приемники, в которых используется расширение объема газа при повышении температуры под действием падающего излучения (оптико-акустические приемники). В последнее время находят практическое применение тепловые диэлектрические приемники, использующие зависимость диэлектрической постоянной вещества от температуры, а т а к ж е пироэлектрические приемники, по сути дела, являющиеся разновидностью диэлектрических. В пироэлектрических приемниках на поверхности пластины сегнетодиэлектрика при механических деформациях, происходящих из-за неравномерного нагрева приемника под действием облучения, появляются электрические заряды.
Существует т а к ж е классификация приемников по следующим признакам: — по области спектральной чувствительности — приемники, работающие в ультрафиолетовой области спектра (до 0,4 мкм), в видимой (от 0,4 до 0,76 м к м ) , ближней и средней инфракрасной областях (от 1,5 до 20 мкм) и в длинноволновой области спектра (свыше 20 м к м ) ; — по рабочей температуре чувствительного слоя — неохлаждаемые приемники (работающие при температуре около 300 К ) , о х л а ж д а е м ы е (Г = 78—195 К) и глубокоохлаждаемые ( Т < 2 0 К). Возможно провести классификацию по конструктивному признаку (одноплощадочные и многоплощадочные, мозаичные приемники). В отдельную группу иногда выделяют позиционно-чувствительные приемники, сигнал на выходе которых изменяется в зависимости от места падения потока на чувствительный слой приемника. К ним относятся, например, инверсионные, разрезные, многоилощадочные приемники, приемники с радиальнотянущим полем, а иногда и передающие телевизионные трубки. Большинство из них будет рассмотрено в данной главе. 5.2. ПАРАМЕТРЫ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Чувствительность. В общем случае чувствительность определяется реакцией приемника на единицу входного сигнала. Интегральная чувствительность определяется отношением изменения одного из параметров собственно приемника к вызвавшему это изменение воздействию (потоку или облученности). Это определение действительно к а к в случае линейной зависимости между входным и выходным сигналами, так и в случае, когда эта зависимость нелинейна. При этом интегральная чувствительность определяется как отношение малых приращений выходного и входного сигналов. В тех случаях, когда рассматривается реакция приемника на монохроматическое излучение, говорят о монохроматической чувствительности. В зависимости от типа приемника реакция его на воздействие излучения может быть различной. Д л я фотоэмиссионных приемников мерой реакции является фототок, и выражение для интегральной чувствительности 7*
99
имеет следующий вид: s = Д»/ДФе [А-Вт"Ч, s = Д1/ДФ0 [А-лм - 1 ] или s—Ai/AEv
[А-лк - 1 ].
(5.1)
Д л я фоторезисторов интегральная чувствительность равна отношению величины относительного изменения сопротивления приемника к изменению его облученности: (5.2) Часто интегральная чувствительность характеризуется отношением числа квантов, вызвавших фотоэффект, к общему числу квантов излучения, попавших на чувствительную площадку приемника. Это отношение принято называть квантовой эффективностью или квантовым выходом. Н а практике часто пользуются понятиями «чувствительность по напряжению» или «чувствительность по току» (вольтовая или токовая ч у в с т в и т е л ь н о с т ь ) — п а р а метрами, которые характеризуют чувствительность приемника применительно к реальной схеме его включения. Отношение амплитуды эффективного напряжения, снимаемого с приемника при оптимальном режиме его питания, к амплитуде синусоидально-модулированного лучистого потока называется вольтовой чувствительностью, или чувствительностью по напряжению: su = Аи/АФе [В - В т - 1 ] или s u = Ды/ДФ0 [В-лм~>].
(5.3)
Синусоидальная модуляция лучистого потока необходима из-за того, что выходной сигнал Ди при одном и том ж е значении амплитуды ДФ может довольно значительно изменяться в зависимости от вида модуляции потока. Вольтовая чувствительность зависит не только от свойств самого приемника, но и от схемы, в которую он включен. Схема этого включения для различных приемников неодинакова, поэтому связь между интегральной и вольтовой чувствительностью зависит от типа приемника. В том случае, когда на выходе цепи приемника измеряется ток, а не напряжение, приемник характеризуется чувствительностью по току sf. s , = Д//ДФ е [А • Вт - 1 ] или Si = Дг/ДФ„ [А • лм - 1 ].
(5.4)
Иногда приемник включают в цепь постоянного тока, а не переменного. Тогда данное выше определение теряет смысл из-за отсутствия модуляции сигнала. В таких случаях принято определять токовую (или вольтовую) чувствительность как отношение приращения сигнала (тока или напряжения) к вызвавшему его приращению лучистого или светового потока. Поскольку сигнал на выходе цепи включения для некоторых типов приемников может зависеть от напряжения питания (например, у фоторезисторов и фотодиодов), иногда вводят понятие «удельная чувствительность» s 0 , которая представляет собой вольтовую или токовую чувствительность, отнесенную к одному вольту питающего напряжения, т. е. М 1 Ди 1 /с с\ (5 5) мП^Т и л и = Шумы приемника (уровень шума, среднее квадратическое значение шума). Помимо полезного регулярного сигнала, на выходе приемника всегда имеет место хаотический сигнал со случайными амплитудой и частотой — шум приемника излучения. Источники шума могут быть как внутренними, так и внешними но отношению к приемнику и прибору в целом. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малые сигналы, которые становятся незаметными на его фоне, т. е. ограничивает предельные возможности прибора. По этой причине разработчики ОЭП стремятся свести шум к минимуму, и он часто определяется шумом приемника излучения. В рационально сконструированном ОЭП чувствительность к малым входным сигналам определяется только уровнем собственных шумов приемника. Поскольку шумы, или флуктуации, являются случайными процессами, их принято обычно описывать такими числовыми характеристиками, как математическое ожидание (средний уровень шума) и среднее квадратическое значение К м 2 ш или дисперсия и2ш. Распределение мощности шума по спектру часто определяется спектральной плотностью шума — дисперсией, приходящейся на единицу полосы частот. Основными видами шумов для приемников излучения являются следующие. Тепловой шум вызывается хаотическим тепловым движением свободных электронов. Дисперсия его в полосе частот Д/ опреде-
ляется по формуле и^- — 4kTR&f,
(5.G)
где k = 1,38-Ю - 2 3 Д ж ' К - 1 — постоянная Больцмана; Т — температура приемника; R — его сопротивление. Дробовой шум определяется тем, что электрический ток является потоком дискретных частиц и зависит от их числа, которое флуктуирует во времени. Протекая по нагрузочному сопротивлению RB, ЭТОТ флуктуирующий ток создает напряжение, дисперсия которого ^\ n ~7 P = 2ei 0 R 2 H Af, (5.7) где е — заряд электрона; io — среднее значение тока; Д/ — полоса частот. Несколько видов шумов часто объединяют единым термином токовый шум (1//-шум, избыточный шум). Составляющими его являются генерационно-рекомбинационный, модуляционный и контактный шум [43]. На практике часто принимают следующее выражение для токового шума
й ^ - ATi*R*hfjf,
(5.8)
где /4т — численная постоянная, значение которой определяется для каждого типа приемника, например для фоторезисторов типа PbS Л 1 = 1 0 - 1 1 — ю - 1 2 . Радиационный (фотонный) шум определяется флуктуациями сигнала, попадающего на приемник, т. е. флуктуациями числа фотонов, приходящих на чувствительный слой как от внешних излучателей (цель, фон), так и от элементов самого приемника. Кроме того, в тепловых приемниках появляются флуктуации температуры из-за непостоянства процесса теплообмена между чувствительной площадкой и окружающей средой. Последние часто называют тепловыми флуктуациями. Флуктуации мощности излучения, поступающего от фона — черного тела с температурой Тф на приемник площадью q для полосы частот Д/ описываются выражением вида ДФ г и = 8егЛ7'«ф09Д/,
(5.9)
где Вт — излучательпая (поглощательная) способность чувствительного слоя приемника; а — постоянная Стефана — Больцмана. Поскольку приемник является, в свою очередь, излучателем с температурой Г пи , то флуктуации «уходящего» от него потока описываются выражением Д Ф > = 8 е 7kT'm,qbf. Общая флуктуация, шума, равна
определяющая
(5.10) дисперсию
ДФ*р = 8 « т А в ? Д / ( Г » ф + 7 , % ) .
радиационного (5.11)
Спектр этого шума является равномерным (белым). Поскольку радиационный шум в значительной степени зависит от параметров источника излучения и условий работы приемника, он определяет предел пороговой чувствительности приемников излучения. Часто за идеальный приемник принимают тот, у которого все шумы незначительны по сравнению с радиационным.
Если отдельные виды шумов некоррелированы, то случайные флуктуации вызовут шум, дисперсия которого
« ^ S ^ ^ m
+ S ^ V
(5Л2)
Порог чувствительности (пороговая чувствительность). М и н и м а л ь н ы й лучистый поток, который вызывает на выходе приемника сигнал, н а х о д я щ и й с я в з а д а н ном отношении т к сигналу шумов (среднему к в а д р а т и ческому значению ш у м а ) , н а з ы в а е т с я порогом чувствительности: Ф n — m V u^n/su [Вт] или Ф„ = т | / V^fsi [Вт].
(5.13)
И н о г д а пороговую чувствительность приемника характеризуют не значением лучистого или светового потока, эквивалентного ш у м а м , а величиной эквивалентной ш у м а м облученности чувствительного слоя Еп. На практике Фп или Еа часто определяют, измеряя уровень шумов в схеме включения приемника иш = Yu*ш и выходной сигнал Ди, заметно превышающий иш и соответствующий потоку ДФ или облученности ДЕ. Действительно, п о д с т а в л я я в (5.13) в ы р а ж е н и е (5.3), получаем Фп
Ди
или
Еп
п
=пХ^-АЕ. Ли
Поскольку шум зависит от ширины полосы частот Д/, в которой он измеряется, то и порог чувствительности зависит от А/. Д л я более удобного сравнения различных приемников принято порог чувствительности определять к а к минимальное эффективное значение потока синусоидально-модулированного излучения с з а д а н ным спектральным распределением, взятое по отношению к единице эффективной полосы пропускания Af 8 , т. е. шум берется приведенным к виду ы 2 ш / Д / э = « 2 ш о и порог чувствительности определяется в ы р а ж е н и е м Ф„ = т
y W Z j S u [Вт-Гц-,/2].
(5.14)
Обнаружительной (детектирующей) способностью принято н а з ы в а т ь обратную Ф п величину, т. е. D—1 / Ф п [ В т - 1 - Г ц ' / 2 ] , которую н а з ы в а ю т способностью к о б н а р у ж е н и ю гистрирующая способность, detectivity).
D
(5.15) (ре-
Неоднозначность этой х а р а к т е р и с т и к и д л я различных конструкций одного и того ж е типа приемника все ж е сохраняется, если учесть, что д л я р а з л и ч н ы х п л о щ а д е й чувствительного с л о я п а р а м е т р ы su и и2ш непостоянны. Поэтому более удобно пользоваться нормированной, или удельной, о б н а р у ж и т е л ь н о й способностью D * D* — su Y ^ f l
m
(5.16)
П о р о г чувствительности приемника д л я полосы пропускания А/ и р а з м е р а чувствительной п л о щ а д к и q определяется как Фn = V W l D * .
(5.17)
Следует у к а з а т ь , что все перечисленные п а р а м е т р ы о п р е д е л я ю т с я по отношению к и з л у ч а т е л ю с одной и той ж е температурой и при постоянной т е м п е р а т у р е чувствительного с л о я приемника. Ч а с т о измерение Ф ш D и D* проводится по отношению к монохроматическому излучению, при этом вводится индекс, о б о з н а ч а ю щ и й д л и н у волны, н а п р и м е р D
\-
Если поток поступает на приемник в виде импульсов со с к в а ж н о с т ь ю более двух, т. е. импульс з а н и м а е т широкий спектр частот, ц е л е с о о б р а з н о воспользоваться понятием «пороговой чувствительности по энергии»: D9--=umJQV^», г
(5.18)
Д е "пик ~ пиковое значение выходного сигнала; Q — энер-
гия входного сигнала; \ / и ? ш — уровень шума на выходе. Постоянная времени. П р о м е ж у т о к времени от начал а облучения приемника до момента, когда в ы х о д н а я величина достигает 63% установившегося з н а ч е н и я при д л и т е л ь н о м облучении, н а з ы в а е т с я постоянной времени приемника т п и . П о с т о я н н а я времени к а к п а р а м е т р опред е л я е т м а к с и м а л ь н о в о з м о ж н у ю частоту модуляции потока, п а д а ю щ е г о на приемник, а т а к ж е в о з м о ж н о с т ь применения данного приемника в схемах быстродействующей а п п а р а т у р ы . Р а з б р о с т п и д л я р а з л и ч н ы х обр а з ц о в одного типа приемника не п р е в ы ш а е т обычно 5-10%.
Коэффициент использования (спектральный к. п. д. приемника). Эффективность приема излучения черного 104
тела может быть оценена с помощью величины, называемой коэффициентом использования: J sxMxd\
jj
о
о
? =
sxMy
'
(5.19)
Mxd\
где s x — относительная спектральная чувствительность приемника; М г — с п е к т р а л ь н а я интенсивность плотности излучения черного тела, имеющего температуру Т; а — постоянная Стефана — Больцмана. Введение этого параметра объясняется тем, что с изменением температуры излучателя, по которому работают приемники, происходит не только количественное изменение лучистого потока, но и изменение его спектрального распределения, что при неизменной спектральной чувствительности приемника приводит к изменению выходного сигнала. Сопротивление приемника. Этот параметр особенно важен при выборе или расчете цепи включения приемника излучения. З н а я его, можно выбрать оптимальное сопротивление нагрузки приемника. Д л я различных типов приемников принято использовать различные параметры, с помощью которых можно оценить сопротивление чувствительного элемента. Например, для фоторезисторов в качестве параметра рассматривается темновое сопротивление R T — сопротивление фотослоя при отсутствии облучения приемника. Д л я фотодиодов обычно приводят значение динамического сопротивления /?д, которое равно отношению изменения напряжения сигнала к изменению фототока при заданной облученности приемника. Сопротивление приемника является весьма важным параметром, влияющим на свойства как самого приемника, так и цепи его включения. Действительно, от этого сопротивления зависит постоянная времени приемника, а т а к ж е уровень его шумов. Д л я некоторых типов фоторезисторов в качестве параметра используется кратность изменения сопротивлен и я — отношение темнового сопротивления к сопротивлению при освещенности 200 лк и температуре 2 0 ± 5 ° С .
Температура чувствительного слоя. К а к следует из приведенных выше выражений для ряда составляющих шума, уменьшение температуры чувствительного слоя ведет к заметному улучшению пороговой чувствительности приемника. При охлаждении заметно расширяется спектральный диапазон чувствительности фотоэлектрических приемников, причем максимум спектральной характеристики смещается обычно (но не всегда) в область больших длин волн. Можно отметить, что у ряда приемников, особенно у фоторезисторов, с уменьшением температуры увеличиваются сопротивление чувствительного слоя и постоянная времени. По рабочей температуре приемники подразделяются на четыре группы: 1) приемники, работающие без охлаждения, 2) приемники, о х л а ж д а е м ы е до температуры возгонки двуокиси углерода (сухого льда) (Т = = 1 9 5 К ) ; 3) приемники, о х л а ж д а е м ы е до точки кипения жидкого азота (Т=78 К ) ; 4) глубокоохлаждаемые приемники ( Г = 4 — 2 7 К ) . Параметры конструкции. Д л я оценки конструктивных особенностей приемника при работе его в составе ОЭП необходимо знать такие его параметры, к а к площадь и конфигурация чувствительного слоя, оптические свойства (коэффициенты преломления и отражения, апертурный угол), напряжение питания, температура чувствительного слоя и ряд других параметров, описывающих его механические, температурные, динамические свойства. 5.3. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Спектральная характеристика. Из-за избирательности поглощения лучистой энергии большинством приемников чувствительность (интегральная, вольтовая, токовая, пороговая) к монохроматическому излучению меняется с изменением длины волны падающего потока. Эту чувствительность принято называть спектральной чувствительностью, а зависимость ее от длины волны падающего на приемник монохроматического лучистого потока — спектральной характеристикой чувствительности. На рис. 23 приведены спектральные характеристики ряда приемников. Частотная характеристика. В зависимости от частоты модуляции лучистого потока, приходящего на прием106
ник, м о ж е т изменяться его чувствительность (интег р а л ь н а я , в о л ь т о в а я или п о р о г о в а я ) . Эта функциональн а я зависимость н а з ы в а е т с я частотной х а р а к т е р и с т и кой. Ч а с т о т н а я х а р а к т е р и с т и к а теснейшим о б р а з о м связ а н а с постоянной времени приемника т п и . М а к с и м а л ь н о д о п у с т и м а я частота м о д у л я ц и и f M зависит именно от величины Тпи. Эту частоту о п р е д е л я ю т по-разному, в за-
Рис. 23. Спектральные характеристики некоторых приемников излучения: / — кремниевый фотодиод; 2 — германиевый фотодиод; 3 — г л у б о к о о х л а ж д а е мый фоторезистор Ge : Au; 4 — н е о х л а ж д а е м ы й фоторезистор PbS 293 ; 5 — о х л а ж д а е м ы й фоторезистор PbS 7 8 ; 6 — о х л а ж д а е м ы й фоторезистор PbSe 7 8 ; 7 — охлаждаемый фоторезистор РЬТе 78 ; 8 — охлаждаемый фоторезистор InSb 7 8 .
висимости от допуска на падение чувствительности s. Так, при s ( f M ) = 0 , 1 6 s ( 0 ) / М =1/Тпи, а при s ( f M ) = = 0 , 7 I s ( 0 ) /м=1/2я15пи. Ч а с т о принимают f M = l / 3 w Энергетическая ( с в е т о в а я ) х а р а к т е р и с т и к а . Энергет и ч е с к а я х а р а к т е р и с т и к а s=f(Ee) или s=/(CD e ) выр а ж а е т з а в и с и м о с т ь чувствительности приемника от его облученности. С е л е к т и в н ы е приемники излучения с увеличением потока, п а д а ю щ е г о на них, ведут себя подобно г л а з у — их чувствительность резко п а д а е т с увеличением облученности (рис. 24). П р и этом шум изменяется в значительно меньшей степени, в р е з у л ь т а т е чего порог чувствительности ухудшается.
Вольтовые характеристики. Важными зависимостями являются вольтовые характеристики, которые в ы р а ж а ю т зависимость таких параметров приемников, как интегральная, вольтовая и пороговая чувствительность, а т а к ж е уровня шума от питающего напряжения. Вольтовая чувствительность с увеличением напряжения питания увеличивается, но увеличивается т а к ж е и напряжение шумов приемника. Поэтому питающее напряжение должно быть подобрано так, чтобы создать Si,MA-m
1
Рис. 24. Энергетическая характеристика фоторезистора.
Рис. 25. Типичный спектр мощности шума приемника.
оптимальные условия включения приемника в измерительную цепь, например обеспечить максимальное отношение сигнал/шум. Спектр мощности шума. Одной из наиболее важных характеристик является спектр мощности шума (спектр плотности мощности ш у м а ) — з а в и с и м о с т ь , описывающ а я распределение дисперсии шума по частотам. Типичная зависимость такого рода для полупроводниковых приемников приведена на рис. 25. В области так называемого избыточного шума, обусловленного, главным образом, контактными явлениями и флуктуациями скорости рекомбинации носителей (от / = 0 до /1), спектр шума подчиняется закону 1 / / \ причем Обычно граница этой области fi лежит в пределах до 1000 Гц. В области / 1 — f 2 , где имеет место практически равномерное распределение, основную роль играет генерационно-рекомбинационный шум, а в области свыше f2 (де-
сятки килогерц и выше) преобладающим является тепловой шум. З н а я подобные характеристики для конкретных приемников, можно выбрать частоту модуляции сигнала и полосу пропускания системы так, чтобы по возможности уменьшить влияние собственных шумов приемника на чувствительность прибора. С точки зрения уменьшения уровня шума, определяемого в полосе А/ как fo-Hf/2
и»ш = 0 * 4 f =
Г
?Ш
(М,
(5.20)
fo-Af/2
целесообразно увеличивать рабочую частоту модуляции /о и уменьшать полосу пропускания Af системы. Температурные характеристики. Это зависимости, указывающие, к а к изменяются различные параметры приемника (например, сопротивление чувствительного слоя, шумы, чувствительность) при изменении температуры его чувствительного слоя. Некоторые другие характеристики приемников лучистой энергии. К ним, в первую очередь, следует отнести фоновые характеристики — зависимость параметров приемника от облученности, создаваемой равномерным излучающим фоном на их чувствительной площадке при заданной величине полезного сигнала. Важными характеристиками конструкции являются зависимости параметров приемника от механических, радиационных, климатических и других воздействий. Д л я некоторых типов приемников (особенно фоторезисторов) важны временные характеристики, описывающие стабильность их параметров во времени. С точки зрения согласования приемника с оптической системой очень важны характеристики, описывающие распределение чувствительности по площадке приемника (зонные характеристики), а также зависимости, определяющие изменение чувствительности при изменении угла падения потока на чувствительный слой приемника. Таким образом, в зависимости от типа и назначения приемника разработчику часто приходится анализировать довольно большое число его характеристик, а иногда и самому определять их. В связи с зависимостью параметров и характеристик приемников от большого числа параметров внешней среды и условий, в которых происходит регистрация лучистого потока, необходимо четко оговорить некоторые
стандартные (нормальные) условия, в которых следует проводить их измерения. Так как различные типы приемников могут резко отличаться по ряду параметров и характеристик, например по области спектральной чувствительности, по инерционности (постоянной времени), по сопротивлению, невозможно ограничиться для всех приемников одними и теми ж е условиями. Приемники, работающие в средней части инфракрасного спектра, т. е. от 1,5 до 20 мкм (обычно это охлаждаемые приемники), калибруют по черному телу с температурой Т — 3 7 3 К- Н е о х л а ж д а е м ы е фоторезисторы, работающие в первом, а иногда и во втором атмосферных окнах, калибруют по черному телу с температурой Т — 5 7 3 К- П а р а м е т р ы приемников, работающих в видимом диапазоне, определяют по л а м п е накаливания — источнику «А» с цветовой температурой вольфрамовой нити Г ц = 2 8 5 0 К. В зависимости от инерционности приемников и спектра шумов различаются частоты модуляции и полосы пропускания при определении паспортных параметров. Чувствительность многих фоторезисторов определяется при частотах модуляции в несколько сотен герц (400 и 500 Гц) и полосе пропускания измерительной установки в несколько десятков герц. Весьма инерционные тепловые приемники калибруются при частотах модуляции лучистого потока в несколько герц, а малоинерционные фотоэмиссионные и другие приемники — при частотах 900—1000 Гц. 5.4. ПЕРЕСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРИЕМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
В реальных условиях работы оптико-электронного прибора приемник излучения принимает поток, к а к правило, отличающийся по своему спектральному составу от потока, который он принимает при определении его параметров, например, чувствительности, т. е. при калибровке. Ч а щ е всего это происходит из-за того, что температура излучателя, по которому работает ОЭП, отличается от температуры источника, по которому калибруется приемник. В ряде случаев приемник, откалиброванный по отношению к излучению со сплошным спектром (например, по отношению к излучению черного т е л а ) , работает с монохроматическим потоком (например, потоком, приходящим от оптического квантового 110
генератора). Поэтому в к а ж д о м таком случае параметры приемника д о л ж н ы быть пересчитаны д л я новых условий. Рассмотрим характерный пример пересчета чувствительности приемника. Пусть имеется приемник с чувствительностью su 1 к излучению со спектральной характеристикой ФХ1. Требуется определить его чувствительность su2 к излучению источника, описываемому функцией ФХ2, т. е., например, к излучателю с другой температурой. При измерении чувствительности sul работа происходит в среде со спектральным пропусканием тХ1 в диапазоне Я1 — Я», а при работе по излучателю, свойства кото рого описываются функцией Ф )2 , — в среде с пропусканием тХ2 в диапазоне Я» — Я4, причем х х2 может учитывать и пропускание оптики прибора. Выражение д л я чувствительности приемника в общем виде можно записать как xxsx®xdA jл т
где Фх — функция, описывающая распределение потока пришедшего на приемник в диапазоне Я т — Я,„ по спектру длин волн; х, — спектральный коэффициент пропускания среды; s x — относительная спектральная чувствительность приемника; s l 2 — абсолютное значение спектральной чувст. вительности в максимуме спектральной характеристики приемника. Если как в случае калибровки приемника, так и при его работе в реальных условиях, рабочая точка энергетической характеристики для монохроматического потока л е ж и т в линейной зоне, т. е. sXm1 = а Ы 2 = sXm, то очевидно
s
« i — SXM . >.,
х. j" «ХхХ2ФХ2<й> SU2
S
J
Хм Xj
X.
J S
J
XM==,S('1 х г
= 5
«
2
х Х2 Ф Х2<&
Т Г
•
(5-21)
Откуда искомая величина x,
x„
J «ХЧ2ФХ2^| sus =
s
u
i ^
*Х1ФХ1^
^
X»
.
(5.22)
x,
В том случае, когда берутся бесконечные пределы интегрирования по Я (т. е. от 0 до оо), а величины т м и принимаются постоянными, sU2 = Suifi/fi, (5.23) где фь ф2 — коэффициенты использования (см. § 5.2). Общая методика пересчета параметров приемников излучения описана в [58]. Приведем некоторые 'полезные для практики формулы пересчета. При переходе от чувствительности приемника S\, выраженной в световых единицах, например в амперах на люмен, к чувствительности s 2 в энергетических величинах, например в амперах на ватт, можно воспользоваться формулой: X,
83
0,76
6 (Ч2«Х Х2^ (Ч^'ХФХ1Л Ф
„
X,
«» — * —
х; СТ)2ФХ2Л f t j j S ^ ^ X
х,
0.4
•
(5.24)
X.
Здесь и делее все обозначения соответствуют принятым выше [см. (5. 22)], Vx — кривая видности глаза.
Пересчет порога чувствительности Ф п можно провести по формуле Ф П 2=Фп1ф1/ф2(5.25) Абсолютная спектральная чувствительность приемника на длине волны Я; при известной относительной чувствительности syi определяется выражением ^
=
(5.26)
Здесь Si — паспортная интегральная чувствительность приемника; Фх— спектр излучения источника, используемого при определении Sj. Порог чувствительности д л я монохроматического излучения с длиной ВОЛНЫ XI = Фп)
ф
„и
] «V*
X,
[ВтЬ
(5-27)
X,
а для монохроматического светового потока ф
пх,- =
ф
п f h^dX/683su x,
f V^dX I
[лм].
(5.28)
Д л я перехода к квантовой форме представления порога чувствительности ФпХ(. необходимо разделить (5.27) на энергию одного кванта, т. е. Пх=
ф
„ х / ^ = Фnxx/hc.
(5.29)
Д л я вычисления интегралов во всех приведенных выше выражениях можно воспользоваться любым из известных способов графического интегрирования. Аналитический способ чаще всего неприемлем, т а к как зависимость s x трудно описать какой-либо функцией, а кроме того, интегрирование функции Фх т а к ж е представляется громоздкой операцией. М о ж н о значительно облегчить расчет, если заменить интегралы суммами, например для (5.26) С 8—783
=
X,
/ X,
(5-30) 113
Если в р а с с м а т р и в а е м о м спектральном д и а п а з о н е значение спектрального коэффициента пропускания оптических с р е д непостоянно, то в ф о р м у л ы (5.26) — ( 5 . 3 0 ) д о л ж н ы быть введены функции \ t к а к это имело место в (5.22). 5.5. ФОТОЭМИССИОННЫЕ ПРИЕМНИКИ (ВАКУУМНЫЕ И ГАЗОНАПОЛНЕННЫЕ ФОТОЭЛЕМЕНТЫ И ФОТОУМНОЖИТЕЛИ)
В основе внешнего фотоэлектрического э ф ф е к т а леж и т эмиссия ф о т о э л е к т р о н о в под действием п а д а ю щ е го излучения. Э м и т т и р у е м ы е э л е к т р о н ы под действием приложенного н а п р я ж е н и я , создающего ускоряющее поле, н а п р а в л я ю т с я от э м и т т е р а — к а т о д а к аноду, обр а з у я во внешней цепи ток. Чувствительность фотоэмиссионных приемников в значительной степени зависит от квантовой эффективности ф о т о к а т о д а . Д л я чистых м е т а л л о в квантовый выход равен примерно 10~3 э л е к т р о н о в на квант, поэтому в качестве ф о т о к а т о д о в используются сложные соединения, такие, как Ag—Cs20, S b C s 3 — Cs, многощелочные соединения, в состав которых входят соединения натрия, к а л и я , сурьмы, цезия. С р а в н и т е л ь н о недавно появились к а т о д ы с « о т р и ц а т е л ь н ы м э л е к т р о н н ы м сродством», я в л я ю щ и е ся соединениями типа GaAs(Cs), InAsP — Cs20, G a l n A s — Cs — О и о б л а д а ю щ и е очень высокой чувствительностью [ 4 ] . К а т о д ы могут быть изготовлены в виде массивной п о д л о ж к и или в виде п о л у п р о з р а ч н ы х слоев, т. е. р а б о т а т ь «на о т р а ж е н и е » или «на просвет». П р и в е д е м х а р а к т е р и с т и к и некоторых часто встречающихся на п р а к т и к е фотокатодов. Кислородно-серебряно-цезиевый фотокатод. Спект р а л ь н а я х а р а к т е р и с т и к а т а к и х ф о т о к а т о д о в имеет я р к о в ы р а ж е н н ы е м а к с и м у м ы в области 0,4 и 0,8 мкм. В зависимости от технологии изготовления к а т о д а второй м а к с и м у м м о ж е т с м е щ а т ь с я до 0,9 мкм. Д л и н н о в о л н о вая граница s^ м о ж е т д о с т и г а т ь 1,2—1,3 мкм. Эта хар а к т е р и с т и к а определяется д л я и з л у ч а т е л я (источника « А » ) — л а м п ы н а к а л и в а н и я с в о л ь ф р а м о в о й нитью, имеющей Г ц = 2 8 5 0 К. В коротковолновой области граница спектральной х а р а к т е р и с т и к и о п р е д е л я е т с я обычно пропусканием покрытий, з а щ и т н ы х стекол и т. п.
Интегральная чувствительность таких катодов лежит в пределах 20—60 мкА/лм. Постоянная времени — менее Ю - 9 с. Плотность темнового тока при ^ = 2 0 ° С достигает 10~ 1 2 А-см - 2 . Сурьмяно-цезиевый фотокатод. Спектральная характеристика этих фотокатодов имеет максимум при длине волны излучения 0,4—0,5 мкм. В инфракрасной области катод чувствителен примерно до 0,8 мкм (у некоторых образцов); интегральная чувствительность имеет максимальное значение 120—180 м к А - л м - 1 . Плотность темнового тока (термотока) при комнатной температуре составляет Ю - 1 5 А - с м - 2 . Многощелочные катоды. Имея кривую спектральной чувствительности, схожую с кривой сурьмяно-цезиевого фотокатода (иногда несколько сдвинутую в инфракрасную или ультрафиолетовую области), эти фотокатоды обладают большей интегральной чувствительностью — 150—250 м к А - л м - 1 при -плотности темнового тока 1(Н 6 А - с м - 2 . Такое повышение чувствительности объясняется расширением спектральной характеристики этих катодов в длинноволновую область (до 0.8 мкм) по сравнению с сурьмяно-цезиевым катодом. Постоянная времени многощелочных катодов мала (меньше Ю - 9 с). Катоды с отрицательным электронным сродством. Катоды этого типа обладают чувствительностью в ближней инфракрасной области до ^ = 1 , 1 мкм (InAsP — Cs?0) и д а ж е до "к=\Л мкм (GalnAs — — Cs — О). Они обладают весьма высокой чувствительностью: 1300 м к А - л м - 1 (InAsP — C s 2 0 ) , 1700 мкА-лм~' ( G a A s — C s 2 0 — Z n ) при гораздо меньших плотностях темнового тока, чем у кислородно-серебряно-цезиевых фотокатодов. Простейшими фотоэмиссионными приемниками являются вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Первые представляют собой вакуумипованньте стеклянные баллоны, на внутренние поверхности которых наносятся фотокатоды. Напряжение питания составляет обычно 160—300 В, темновые токи не превышают 0,1 мкА. Баллон газонаполненного фотоэлемента заполняется инертным газом при низком давлении, что приводит к повышению его чувствительности в 5—7 раз благодаря ионизации газа фотоэлектронами. Однако эти фотоэлементы гораздо более инерционны, чем вакуумные. 8*
115
Наиболее высокочувствительными эмиссионными приемниками являются фотоэлектронные умножители ( Ф Э У ) . Принцип их работы заключается в использовании явления вторичной эмиссии, возникающей при последовательной бомбардировке электронами ряда эмиттеров, к а ж д ы й из которых находится под большим потенциалом, чем предыдущий. Лавинообразный процесс роста числа электронов, управляемый полем, в котором помещены эмиттеры, приводит к значительному увеличению тока на выходе умножителя t B b i x по сравнению с первичным током катода io- Если отношение числа электронов, полученных на выходе эмиттера, к числу электронов, бомбардирующих его, называемое коэффициентом вторичной эмиссии Ов, одинаково д л я всех л эмиттеров, то выходной ток фотоумножителя теоретически равен iBbIX=i0anB — i0M. Величина М—апв называется коэффициентом усиления ФЭУ. Б л а г о д а р я большим значениям М фотоэлектронные умножители нашли очень широкое распространение для регистрации слабых лучистых потоков. Не останавливаясь на конструкции и многочисленных возможных применениях этих приемников, следует указать, что параметры современных приемников этого класса позволяют применить их как для регистрации чрезвычайно малых лучистых или световых потоков, так и в случае приема очень мощных излучений. Спектральные характеристики ФЭУ определяются типом фотокатода, постоянная времени их обычно менее 10 - 7 с. Токовая чувствительность многокаскадных ФЭУ может достигать нескольких десятков ампер на люмен. При этом важно отметить относительно большую линейную зону световых характеристик ФЭУ. Линейная зависимость выходного тока от освещенности на фотокатоде иногда может иметь место при освещенностях свыше тысячи люкс [44]. У фотоэмиссионных приемников может наблюдаться весьма значительная неравномерность чувствительности по площади фотокатода. Основным методом борьбы с шумом, или паразитным сигналом, возникающим по этой причине, является создание рациональной оптической схемы прибора, при которой фотокатод приемника облучается не в маленькой зоне, а по всей площади. Применение с этой целью конденсоров позволяет значительно снизить уровень этого шума.
Рассмотрим кратко схему включения фотоэмиссионного приемника в измерительную цепь. На рис. 26 и 27 представлены схемы включения фотоэлемента и фотоумножителя. В подобного рода схемах очень важно правильно подобрать соотношение между сопротивлением нагрузки и параметрами последующей цепи. С увеличением сопротивления RB возрастает сигнал на сетке первой лампы усилителя, однако в реальных схемах
гО №
Щ
Рис. 26. Принципиальная схема включения фотоэлемента.
Рис. 27. Принципиальная схема включения фотоумножителя.
почти никогда не применяются сопротивления больше 10 10 —10 12 Ом. Это вызвано рядом причин: во-первых, при больших значениях RH сильно возрастают шумы, т а к как уровень основных шумов, свойственных фотоэмиссионным приемникам (дробового и теплового), прямо пропорционален сопротивлению резистора; во-вторых, трудно обеспечить высокостабильное сопротивление такого номинала; в-третьих, сопротивление нагрузки не должно шунтироваться сопротивлением утечки Rc, последнее с этой целью обычно выбирают в несколько десятков раз больше Rn, а это может вызвать пробой сопротивления изоляции л а м п ы или утечку по баллону лампы или фотоприемника. Очень часто при измерении малых лучистых потоков применяют электрометрический режим включения первой лампы усилителя или непосредственно применяют специальные электрометрические лампы. Однако, если облученность фотокатода может изменяться в сравнительно больших пределах, то применение этих ламп нежелательно, так к а к мощность рассеяния у них невелика. В табл. 11 приведены параметры некоторых ФЭУ [4, 35, 44].
Таблица
11
Тип
KJ
Область спектральной чувствительности, ^макс> мкм мкм
ФЭУ-15Б 0,33—0,75 ФЭУ-31 0,25—0,6 ФЭУ-51 0,3—0,8 ФЭУ-64 0,25—0,6 ФЭУ-71 0,25—0,6 ФЭУ-72 0,25—0,6 ФЭУ-82 0,3—0,8
0,5 0,38 0,45 0,38 0,4 0,38 0,45
е
1300 1400 2300 1500 1000 2900 1700
%
20—40 20—40 60 25 30 30 30
л m ©
|
5 10 100 1000 100 100 10
Фп.
лм/Гц'Ь
5,6-Ю-11 4,5-10-" 6,3-Ю-12 1,3-10-" 1,6-10"" 2,3-10"» 1,610-"
Диаметр фотокатода, мм
Параметры некоторых ФЭУ [35, 44]
20 25 25 5 16 34 40
Помимо обычных электростатических ФЭУ, в которых управление процессом вторичной эмиссии идет с помощью электростатического поля, создаваемого между отдельными динодами, за последние годы стали использоваться более быстродействующие при-
Рис. 28. Схема работы статического ФЭУ со скрещенными полями. емники, предназначенные для гетеродинного приема оптических сигналов. Обычные ФЭУ неприменимы для этого из-за большого разброса времени пролета электронов между динодами. Статический ФЭУ со скрещенными полями (рис. 28). В этом ФЭУ электроны, эмиттируемые фотокатодом 1, ускоряются сильным электрическим полем с напряженностью Е между каждым из динодоз 2 и электродом 3 с нулевым потенциалом. Так как каж-
дый из последующих динодов несколько ближе (на Л*) к этому электроду, чем предыдущий, то напряженность электрического поля возрастает от динода к диноду. Перпендикулярно электрическому полю приложено магнитное поле с напряженностью Я в несколько сот гаусс, искривляющее траектории эмиттируемых электронов так, чтобы они попадали на последующий динод, и наконец, на коаксиальный выход 4. Динамический ФЭУ со скрещенными полями (рис. 29). В этом ФЭУ используется переменное электрическое поле СВЧ диапазона. При положительном полупериоде СВЧ напряжения электроны, выбитые с фотокатода 1, ускоряются по направлению к одному из электродов 2 или 3 (2 — основание), с помощью которых создается
Рис. 29. Схема работы динамического ФЭУ со скрещенными полями.
Рис. 30. Схема ЛБВ—ФЭУ.
работы
электрическое поле с напряженностью Е. Под действием перпендикулярного электрическому магнитного поля напряженностью Н их траектории искривляются. Во время отрицательного полупериода СВЧ напряжения электроны ускоряются в направлении к электроду 3, на поверхность которого наносится эмиттирующий вторичные электроны слой. Вторичная эмиссия происходит в тот момент, когда направление СВЧ электрического поля вновь изменится и процесс снова повторяется. Вторичная эмиссия возникает в таком ФЭУ только под действием электронов, которые пришли в фазе с СВЧ напряжением. В результате такой фазовой фокусировки потока электронов уменьшается разброс времени их пролета от динода к диноду и к выходу сигнала высокой частоты 4. Такие ФЭУ могут работать как детекторы оптического излучения, промодулированного сигналом сверхвысокой частоты. ЛБВ—ФЭУ. Перспективной по чувствительности и быстродействию является лампа бегущей волны с фотокатодом и электронной умножительной системой (ЛБВ—ФЭУ). Упрощенная схема одной из модификаций такого приемника (СВЧ фотоэлемента с электронным умножителем на пленочных динодах) представлена на рис. 30. Сигнал в виде потока излучения, промодулированного частотой Mi, поступает на фотокатод 1. Пучок фотоэлектронов проходит через систему динодов 2, аналогичных динодам ФЭУ. Сигнал СВЧ, возникающий в результате взаимодействия потока электронов с' трактом СВЧ 3, может быть выведен через СВЧ выход 4. При изменении с частотой сог сигнала, подаваемого на модулирующий электрод или резонатор СВЧ системы, на выходе образуется сигнал разностной частоты Wi—шг. С помощью ЛБВ—ФЭУ
легко осуществляется гетеродинный прием излучения, модулированного СВЧ сигналом в несколько гигагерц. Существуют и другие конструкции быстродействующих фотоэмиссионных приемников (табл. 12), которые описаны в специальной литературе [4, 53]. Та б л и ц а Параметры
быстродействующих фотоэмиссионных излучения [28, 53] Тип
Статический ФЭУ ее" скрещенными полями Динамический ФЭУ со скрещенными полями ЛБВ — ФЭУ с динодами, работающими на прострел ЛБВ — ФЭУ с отражательными динодами Фотоклистрон Электростатический ФЭУ (типа ФЭУ-77)
1т-
ГГЦ
5
12
приемников
м
«экв-
2-10=
0 м
50
10
7
50
30
10
3
1,5-10*
30
10 3
100 0,1
1 10»
4
10 4 140 -^•50
К общим недостаткам фотоэмиссионных приемников следует отнести необходимость большого питающего стабилизированного напряжения (для ФЭУ — с о т н и и тысячи вольт), возможность разрушения эмиттеров-динодов некоторых типов ФЭУ при облучении значительными световыми потоками, некоторую усложненность схемы включения и большие габариты по сравнению с другими приемниками. Шумы ФЭУ зависят, главным образом, от дробового шума, шума, обусловленного вторичной эмиссией, и шума в нагрузке. Особенностью ФЭУ является то, что флуктуации тока фотокатода усиливаются на эмиттерах из-за вторичной эмиссии, а кроме того вторичные токи с эмиттера т а к ж е испытывают флуктуации из-за дробового эффекта вторичной электронной эмиссии. Это приводит к увеличению дробового шума, что учитывается вводом дополнительного сомножителя ( 1 + 5 ) и коэффициента усиления М в формулу дробового шума. Для ФЭУ
Д л я умножителей с электростатической фокусировкой значения ( 1 + В ) колеблются в пределах от 1,5 до
3,0. Учитывая, что дробовой шум ФЭУ значительно превосходит другие шумы, формулу порога чувствительности ФЭУ можно з а п и с а т ь в виде Фп = К 2 « т ф ( 1 + В ) Д/ /5, ф = J / 2 e M l -\~B)MAflsi,
(5.31)
где Si — и н т е г р а л ь н а я чувствительность ФЭУ; iT = = i T фМ — темновой ток ФЭУ; 5*ф— и н т е г р а л ь н а я чувствительность фотокатода; 1 Т ф — темновой ток фотокатода. Уменьшения порога чувствительности фотоэмиссионных приемников д о б и в а ю т с я о х л а ж д е н и е м чувствительного слоя, сужением полосы пропускания, уменьшением п л о щ а д и чувствительного слоя фотокатода. Все эти меры я в л я ю т с я общими д л я с а м ы х различных типов приемников. Очень часто снизить уровень шума удается в результате с н и ж е н и я н а п р я ж е н и я питания, подбора специальных элементов, с помощью тщательного монт а ж а схемы включения приемника, экранировки ее от внешних электростатических и магнитных полей.
5.6. ФОТОРЕЗИСТОРЫ
В основе работы фоторезистора, или, как его р а н ь ш е н а з ы в а л и , фотосопротивления, л е ж и т изменение электропроводности чувствительного слоя приемника при его облучении. Фотопроводимость носит резко в ы р а ж е н н ы й селективный х а р а к т е р , поэтому с п е к т р а л ь н а я монохром а т и ч е с к а я чувствительность фоторезисторов описывается обычно плавными кривыми с одним максимумом (рис. 23). Типовая схема включения фоторезистора приведена на рис. 31. Переменный выходной сигнал определяется изменением н а п р я ж е н и я на сопротивлении нагрузки R u при изменении сопротивления фотослоя /?ф. Если ип — н а п р я ж е н и е питания, то при изменении 7?ф на АЯф сигнал изменится на А и. П р и А#ф<С#ф Ды=ып£нЛ#ф/(Ян+Яф)2. П р и оптимальном согласовании, т. е. при Ды=(«ц/4) (Д#ф/#ф).
Ян=Яф, (5.32)
П о м и м о полезного с и г н а л а , поступающего обычно на фоторезистор в виде модулированного лучистого потока, часто имеется и посторонний мешающий фон. Н а л и ч и е 121
последнего вызывает уменьшение сопротивления слоя и в отсутствие сигнала. Это необходимо учитывать при выборе /?„. З а д а ч а оптимального выбора параметров цепи включения облегчается, если известны энергетические и фоновые характеристики приемника, т. е. зависимость интегральной чувствительности фоторезистора от облученности. Иногда для этого более целесообразно использовать зависимости сопротивления приемника от облученности /?(j,=f ( £ ) , которые т а к ж е называют ^' энергетическими и фоноI выми характеристиками. \ Типичная зависимость \
Рис. 31. Принципиальная схема включения фоторезистора.
Рис. 32. Типичная фоновая характеристика фоторезистора.
Яф=1(Е) представлена на рис. 32. Приведенная характеристика позволяет выбрать сопротивление нагрузки /?„, находящееся в оптимальном соотношении с сопротивлением приемника Яф при различных постоянных засветках чувствительного слоя. Очень важными характеристиками фоторезистора являются зависимости вольтовой чувствительности (или сигнала на выходе цепи фоторезистора) и шума от напряжения питания « п . Если на одном г р а ф и к е построить эти две кривые, то можно определить значение мп, при котором отношение с и г н а л / ш у м будет максимальным. У многих типов фоторезисторов при достижении определенного значения и п наступает резкое увеличение уровня выходного шума при сравнительно небольшом нарастании сигнала. Это значение обычно не превышает нескольких десятков вольт, в редких случаях (например, для ряда сернистокадмиевых фоторезисторов)—нескольких сотен вольт. Вся приведенная система параметров и характеристик полностью применима к фоторезисторам. Д л я некэ-
Кратность изменения сопротивления при 200—300 л? Доп\стнмая мощность рассеяния, Вт
О
О 1
1
1 о
о о
о
с
ю
1 s
1
I
1
i
!
1
М
1
1
1
1
q
1 о
о
I
l
l
l
l
l
l
l
r
-
I
O O O O O O O O l 2 с
о
т
с
п
и
^
т
и
ю
7
«
S
о ю ' — о —1 .
ь
2
«
1
•
1
S
о
о
ci
I
1
I
о •
см
»
о
о
• -
о 1- » — о f-л
5
B
О
е
о
о " о " о
« о
о
l ^ - g g g g
ю
in
ч < t-
о
о
|
O
O
"
О —- — • ю
ю -
с о
1 2
<м —
со o
t
-
. O O O J L " — —' — 00 — О » — — _ о О • • - О — О
о О SS _
i c i c ю — ю * CS с ч — —
L C СО C S
• — С )
D* (500 К 1000, 1),
см • Гц*/3 • Вт-1
О)
к Е-г * г<-_
Q
£
О
.
~
О 1
о
О "
о
Т
о Т
Ь "
о Т
О о
"
о
«
1
1
1
1
1
\
1
1
1 1
®
Ц \k \Ц \ оо
1
с ч
с о
<м
со
1С
<М
I
|
& а r t
s i 2
^ N l O N l O C O t D l O O O i B c O f l O O O «
(N П Ч1 Ю Ш N Ю О) о
ю о" о
- - S I O O Q l O O O O O O t D i O O t D N N (NCSCSCO-S'-'tOLClCtOOOOOOO со
М атериал
Марка
Рабочая температура чувствительного слоя, К
о —
CS
— i I < ' и •а-
—
- s -4-
CS
s о s s oi
—' I t
1
1 '
1
1
1
1
'
1
1
1
1
1
и
с л с л с л с л и н и й Д Л Я Л й й с' п
3
с
;; и
ш
1
I<M<M
01 Ь хз ^
т з Т ! TJ
торых типов фоторезисторов можно ввести дополнитель ные параметры, например, допустимую мощность рассеяния, необходимую для оценки качества приемников, принимающих большие потоки, что приводит к появлению значительных фототоков. Величина допустимой мощности рассеяния зависит от материала чувствительного слоя, а также от режима его облучения. При непрерывном режиме облучения эта мощность лежит в пределах от сотых до десятых долей ватта, при импульсном облучении она достигает 2,5 Вт. К числу основных шумов, определяющих порог чувствительности фоторезисторов, относятся тепловой шум и токовый. Предел уменьшения порога ограничивается радиационным шумом. Оценивая весь класс фоторезисторов, можно отметить такие достоинства этих приемников, как малые размеры и массу, пониженное по сравнению с фотоэмиссионными приемниками питающее напряжение, возможность работы в значительно более широком спектральном диапазоне. Р я д фоторезисторов имеет очень высокую интегральную чувствительность, мощность рассеяния их достаточна для управления электрической цепью мощностью в несколько ватт. К недостаткам этого класса фотоприемников можно отнести повышенную инерционность, значительную зависимость характеристик и параметров от температуры, малую величину линейной зоны энергетической характеристики. В таблице 13 приведены параметры некоторых распространенных на практике фоторезисторов. Сведения о других параметрах и характеристиках фоторезисторов, в частности об их конструктивных размерах, форме и размерах чувствительного слоя, питающих напряжениях и т. д., приведены в специальной литературе [2, 35, 44]. 5.7. ФОТОДИОДЫ И ФОТОТРАНЗИСТОРЫ
Фотодиодами принято называть фотоэлектрические полупроводниковые приборы, в которых при воздействии лучистой энергии возникают электронно-дырочные пары, разделяемые р—га-переходом и образующие фототок. При отсутствии освещения в цепи протекает только темновой ток (обратный ток запертого диода), составляющий единицы и д а ж е десятки микроампер. Фотодиоды
могут включаться в схемы как с внешним источником питания — включение в фотодиодном режиме, так и без него — включение в фотовольтаическом (вентильном) режиме (рис. 33). В настоящее время основными материалами д л я изготовления фотодиодов являются германий и кремний. Кремниевые фотодиоды обычно чувствительны в узкой области спектра (от А,—0,5—0,6 мкм до Я = 1,1 — 1,2<мкм) с максимумом чувствительности при длине волны около — J ,
1
ф * f
-if
Ц О — а Рис. 33. Включение ф о т о д и о д а в фотодиодном (а) и вентильном режиме (б).
0,85—1,0 мкм, а германиевые фотодиоды чувствительны в диапазоне 0,4—1,9 мкм, с максимумом примерно на 1,6 мкм. Интегральная чувствительность кремниевых приемников достигает 6—7 м А - л м ~ ' (для источника «А» с 7 , ц = 2 8 5 0 К ) , а германиевых — 2 5 — 3 0 мА-лм~'. В фотодиодном режиме при напряжении питания 20 В темновой ток кремниевых фотодиодов обычно не превышает 3 мкА, в то время как у германиевых фотодиодов при « п = Ю В эта величина достигает 15—20 мкА. Очень важной характеристикой фотодиода является стабильность его параметров при изменении температуры, влажности, давления окружающей среды. В этом отношении кремниевые фотодиоды имеют большие преимущества перед германиевыми. У германиевых фотодиодов темповой ток при изменении температуры от 20 до 50°С может изменяться в 3—5 раз; у кремниевых ж е приемников он почти не меняется. Другим достоинством кремниевых фотодиодов является возможность работы с большими обратными напряжениями (до 100 В), чего нельзя достичь у германиевых фотодиодов. В последнее время появились первые промышленные образцы фотодиодов на основе сурьмянистого индия, арсенида галлия и ряда других веществ. Их спектральные характеристики гораздо шире: длинноволновая
граница достигает 4,5—5,5 мкм. Р а б о ч а я температура чувствительного слоя не д о л ж н а превышать 78 К. Постоянные времени составляют несколько микросекунд. Постоянная времени фотодиода тпи в значительной степени зависит от способа его изготовления, от размеров площадки. Д л я сплавных фотодиодов Тпи обычно близко к 10~5 с; для диффузионных фотодиодов при маленьких площадках хш может достигать Ю - 6 с. В специальных фотодиодах с малой толщиной базы можно достигнуть Тпи= Ю - 8 с. Сравнительно большие темновые токи при включении приемника в фотодиодном режиме делают невозможным его использование для измерения малых лучистых потоков. В этом случае необходимо работать в вентильном режиме. При этом порог чувствительности системы определяется практически не шумами приемника, которые весьма малы, а шумами схемы его включения или последующих электронных звеньев. Фототранзисторы — приемники лучистой энергии с двумя или большим числом р—«-переходов, в которых имеет место направленное движение носителей тока и которые обладают свойством усиления фототока при облучении чувствительного слоя. Фототранзисторы имеют высокий квантовый выход (около 100). Наличие второго р—«-перехода приводит к значительному увеличению шумов, поэтому некоторые разработчики О Э П предпочитают использовать фотодиоды, д о б а в л я я дополнительный к а с к а д в усилитель сигнала, шум которого меньше влияет на пороговую чувствительность прибора по сравнению с шумом, возникающим при использовании фототранзистора. Включение фототранзисторов в измерительную схему может осуществляться по схемам со свободным коллектором, эмиттером или базой. Первые две схемы аналогичны включению фотодиода в фотодиодном режиме; при включении по схеме со свободной базой уменьшается сопротивление приемника переменному току. При этом соответственно увеличивается тепловое действие фототока. Триодное включение фототранзисторов ничем не отличается от обычных схем включения плоскостных транзисторов (рис. 34). Наиболее распространено включение по схеме с общим эмиттером, отличающееся наибольшим коэффициентом усиления по мощности.
В фототранзисторах преобладают тепловой и дробовой шумы. Д л я выпускаемого промышленностью германиевого фототранзистора ФТ-1 шумовой ток достигает 2-10~ 7 А, что при чувствительности s, = 0,4 А - л м - 1 приводит к ограничению регистрируемых световых потоков до 5 - Ю - 7 лм. Темновой ток ФТ-1 достигает 300 мкА при рабочем напряжении 3 В. Постоянная времени больше, чем у фотодиодов, и составляет Ю - 4 с. Основным недостатком фототранзистора ФТ-1 является значительная нестабильность параметров как во времени, так и № при изменении температуры о к р у ж а ю щ е й среды. У ряда фототранзисторов в центре чувствительного Рис. 34. Принципиальная схема слоя из-за затенения эмитвключения фототранзистора. тером части базы имеется «слепое пятно». Поэтому при их использовании совершенно необходимо распределять поток по всей чувствительной поверхности фотослоя, т. е. применять конденсоры. В табл. 14 приведены параметры некоторых фотодиодов и фототранзисторов, выпускаемых промышленностью.
Л
Таблица
14
Параметры некоторых фотодиодов и фототранзисторов [351
Тип
Материал
Диапазон спектральной чувствительлости, мкм
5 Е . о И а
<<
ФД-1
ФД-2 ФД-3 ФД-К1 КФДМ ФД-7К ФТ-1 ФТГ-2А
Герм»ний я
Кремний в
Германий •
0.4-1,9 0,4—1,9 0,4-1,9 0,5—1,2 0,5—1,2 0,5-1,2 0,4—1,9 0,4—1,9
1,6 1.6 1,6 1,0 1,0 1,0 1,6 1,6
to § О
<7* 20 10—20 20 3 3 5 170—500 1000
р1 10"» 10"» ю-» 10-« 10-« 10-« *.10-« —
Порог чувствительности,' лм
ю д
Е
15 30 10 20 20 — 3
5
1,5-10"» 2,8-10"» 1,1-ю-» 2,8.10"» 7.10"» 6-10"» 5-10-1 2,5-10-'
Q
я.5 s
IЕГ IСО«О с й5 5 1,1 2,5 1 I—"1 78 —
Стремление увеличить чувствительность фотодиодов и уменьшить их постоянную времени привело к разработке р—i—«-фотодиодов [53]. Типичный р—i—я-фотодиод состоит из трех последовательных областей: из тонкой сильно легированной n-области, бо-
лее толстого слоя с очень малой концентрацией примеси (i-область), и сильно легированной /^-области. В результате освобождения t'-области от носителей под воздействием обратного смещения в ней устанавливается сильное и почти постоянное поле. Падающее излучение поглощается в i- и я-областях и образует электронно-дырочные Пары, Электроны и дырки разделяются полем и покидают i-область, а пары, возникшие в га-области, диффундируют к переходу, где дырки захватываются сильным попутным электрическим полем и проходят через переход, а электроны остаются в га-области. При площади чувствительного слоя около 100 мм2 кремниевые р—i—га-фотодиоды обладают чувствительностью 0,015 А ' В т - 1 при Я = 0 , 4 мкм и временным разрешением 5 не. При приеме излучения с Х = 0 , 9 мкм и напряжении смещения « С м = 1000 В их чувствительность составляет 0,53 А В т - 1 , а темновой ток i T ^ 2 0 мкА при « с м = 7 0 0 В и i T ^ 5 мкА при и с м = 3 0 0 В. Световые характеристики этих диодов при ы с м = 100—1000 В линейны д о значений фототоков в 6 А [28]. В фотодиодах можно получить усиление тока путем умножения числа носителей (аналогично ФЭУ), Такое умножение достигается в результате лавинного пробоя в обедненном слое с обратным смещением. На этом принципе основаны лавинные фотодиоды. Процесс детектирования и усиления СВЧ сигнала, модулирующего оптическое излучение, может быть осуществлен с помощью СВЧ фотодиода (фотопараметрического усилителя). Если к обедненному слою, образованному при контакте полупроводников с р- и га-проводимостями, при• Ч ложено переменное модулирующее на^^В \ — п р я ж е н и е , то его емкость изменяется Ж Ч ~ 1 Выход с частотой этого напряжения. Если в J ^ b b J I m момент достижения максимальной ем4 / Д Л кости к обедненному слою прикладывается дополнительное напряжение от _ ос г генератора накачки, то напряжение моrmi а < - х е м а работы дулирующего сигнала увеличивается. L H 4 фотодиода. Схема СВЧ фотодиода представлена на рис. 35. Помещая параметрический диод 1 в резонатор 2 и освещая его через стенку резонатора, можно по волноводу 3 подать на него мощный сигнал от генератора накачки и получить усиление полезного сигнала, который из резонатора поступает на вход обычного приемника СВЧ диапазона. Настройку резонатора на частоту модулятора можно осуществить с помощью подстроечного поршня 4. 5.8. ТЕПЛОВЫЕ (НЕСЕЛЕКТИВНЫЕ) ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ Тепловые (неселективные) приемники излучения можно разбить на отдельные группы. Наиболее широко распространены термоэлементы, болометры. Существует ряд других приемников: оптико-акустические, приемники, основанные на явлении дифференциального испарения тонкой масляной пленки (эвапорографы), пироэлектрические приемники [31]. Ввиду сравнительно небольшой
распространенности этих приемников рассмотрим кратко только термоэлементы и болометры. Термоэлементы. Приемники этого типа исторически были первыми применены для обнаружения и измерения излучения. Принцип их работы основан на использовании известного термоэлектрического эффекта Зеебека, который заключается в появлении электродвижущей силы (термо-э. д. с.) в цепи, состоящей из двух разнородных по составу проводников (рис. 36), при условии, что между двумя их спаями имеется разность температур, т. е. контактные разности потенциалов на каждом спае различны. Появление термо-э. д. с является результатом изменения энергии и скорости электронов в зависимости от градиента температуры. При наличии переменной температуры вдоль проводника элек-
Рис. 36. Принципиальные схемы включения термоэлементов. троны на горячем конце (нагретом спае) приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном, что способствует их диффузии в направлении, обратном градиенту температур. Вследствие этого электроны устремляются к холодному концу, заряжая его отрицательно, а на горячем остается нескомпенсированный положительный заряд. Подобное явление имеет место не только в металлах, но и в полупроводниках, причем такие термоэлементы имеют наибольшую термо-э. д. е., так как э. д. с. электронного и дырочного полупроводников складываются. Количественно эффект Зеебека описывается следующей зависимостью э. д. с. Дет от разности температур AT между спаями:
Ает=атАТ, где а г — коэффициент термо-э. д. с. термоэлемента, численно равный разности потенциалов, возникающей при разности температур на спаях в 1 К. В качестве материалов для металлических термоэлементов используются сурьмяно-висмутовые спаи, серебро, железо, теллур, константан, хромель и различные сплавы этих веществ, а для полупроводниковых — сурьма, кремний, теллур, селен. Данные об их термоэлектрических свойствах приведены в литературе [43]. Качество термоэлемента наиболее полно определяется его к. п. д. — отношением мощности, полученной на сопротивлении нагрузки, к мощности излучения, попавшего на чувствительную площадку. К- п. д. термоэлемента зависит от разности температур горячего и холодного спаез, от материалов, из которых изготовлен термоэлемент и, что очень важно для разработчика ОЭП, от соотношения между сопротивлением термоэлемента R и сопротивлением нагрузки Rп. Тот факт, что обычно сопротивление R очень мало (не выше десятков ом), вынуждает применять трансформаторный вход в качестве согласующего звена между приемником и усилителем, что усложняет конструкцию прибора. 0—783 129
К недостаткам термоэлементов следует также отнести их большую инерционность ( т п и составляет десятки миллисекунд), что является одним из наиболее серьезных препятствий для применения их в быстродействующих ОЭП. Кроме того, конструктивное оформление достаточно чувствительных термоэлементов является сложным. В табл. 15 приведены параметры типового термоэлемента типа ТП-О.ЗХЗ. Т а б л и ц а 15 Параметры некоторых тепловых приемников излучения [35]
Is «8 is 111
su. В/Вт
Порог чувствительности, Вт
24
40
3,4.10-»
0
0,3x3
25
-
610-»
5
ixl 1X1 0,85x2
60 100 170
5-10"» 5-10-® 1,2.10-°
30
Марка
Термоэлемент полупроводниковый
ТП-0,3x3
0,3x3
Болометр металлический
БВЦ-О.ЗХЗ
Болометры полупроводниковые
БГМ-1Х1 БКМ-5-lXl БКМ-2
т
4 2,2
частота модуляции
пи' MC
Тип
полоса пропускания
Параметры измерительной системы, Гц
ю
-
0,25
1 1
10
Болометр. Принцип работы болометра основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла при нагреве чувствительной площадки под действием падающего на нее лучистого потока. Относительное изменение сопротивления болометра Rо при изменении его температуры на АТ в случае, если можно представить уравнением: AR6/R6=$tAT.
Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) |3т для большинства металлов в широком диапазоне температур обратно пропорционален температуре, т. е. [5г=1 /Т, а для большинства полупроводников р т =—3000/7" 2 . Отсюда ясно, что для полупроводников можно получить большие значения ТКС, чем для металлов. Важно также отметить различные знаки изменения сопротивления полупроводниковых и металлических болометров. Большие, по сравнению с металлическими, значения if5T у полупроводниковых болометров позволяют получить большее значение интегральной чувствительности. Д л я увеличения ее пользуются теми ж е методами, что и для термоэлементов, т. е. увеличивают коэффициент поглощения и уменьшают теплопроводность чувствительного слоя. Для снижения уровня шумов выгодно уменьшать размер чувствительной площадки. Однако как для термоэлемента, так и для болометра при малой площадке значительно усложняются требования к оптической системе, которая должна сконцентрировать лучистый поток в очень маленький кружок рассеяния.
В качестве материалов для металлических болометров используются платина, никель, золото, а для полупроводниковых — сово-. купности окисей никеля, кобальта, марганца. Простейшая схема включения болометра аналогична схеме включения фоторезисторов (рис. 37). Болометр обычно включают по мостиковой схеме, которая питается постоянным или переменным током. Влияние окружающей температуры может вызвать нежелательный разбаланс моста, поэтому в качестве сопротивления, уравновешивающего болометр, часто применяют также болометр, называемый компенсационным. При изменении внешних усовий оба болометра в одинаковой степени изменяют свое сопротивление, в результате чего (равновесие моста сохраняется. Лучистый поток от излучателя собирается только одним болометром, что вызывает разбаланс моста. При включении металлического болометра часто приходится использовать трансформатор в качестве согласующего элемента, что вызвано трудностью согласовать очень малое сопротивление болометра со сравнительно большим входным сопротив- лением последующего усилителя. Сопротивление полупроводниковых Рис. 37. Схема включения болометров в отличие от сопротивлеболометра, ния металлических велико, что приводит к трудностям обратного порядка — согласованию высокого сопротивления болометра с низкоомным входом усилителя (особенно, усилителя на полупроводниках). Эта задача решается все ж е легче, чем первая, путем применения специальных схем, например катодного повторителя, поскольку наличие на входе усилителя трансформатора вызывает необходимость специальной защиты от внешних помех и фонов, а также увеличивает массу и габариты аппаратуры. Конструкции ряда болометров описаны в литературе {35, 43]. В табл. 15 приведены параметры типовых приемников этого класса. Основными шумами для тепловых приемников являются фоновый и тепловой. Оценивая весь класс неселективных приемников, можно отметить, что на тех участках спектра, где могут работать фотоэлектрические приемники, тепловые индикаторы излучения в силу их инерционности, худших эксплуатационных параметров и параметров конструкции почти не применяются. Однако на других участках спектра они пока являются практически единственными приборами для обнаружения и измерения лучистого потока. 5.9. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИНФРАКРАСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ВИДИМЫЕ [20, 31, 46]
Р а б о т а в инфракрасном диапазоне оптического спектра часто позволяет решить ряд важных практических задач, например обнаружение и определение местоположения теплоизлучающих объектов в дымке и слабых 9*
131
туманах, спектрозональное фотографирование, работу в ночных условиях. При этом, если оценка и обработка первичной информации производятся человеком, необходима визуализация скрытого (невидимого) изображения, получаемого на выходе оптической системы прибора. Эта з а д а ч а решается с помощью преобразователей инфракрасных изображений в видимые. К ним относятся электронно-оптические преобразователи, эвапорографы, специальные фотоматериалы, а т а к ж е преобразователи, Объектив
Фотокатод
Пютшещирующй экран
Эпектронно - оптическая фокусирующая система Рис. 38. Принцип действия ЭОП.
осуществляющие визуализацию одновременно со сканированием (последовательным просмотром поля зрен и я ) — тепловизоры, инфракрасные видиконы, термиконы. Рассмотрим здесь вкратце Э О П и некоторые фотоматериалы. Отдельные типы сканирующих преобразователей будут описаны в § 5.11. Электронно-оптический преобразователь. Электровакуумное устройство, преобразующее оптическое изображение одного спектрального состава (чаще всего инфракрасное или ультрафиолетовое) в промежуточное электронное, а затем из электронного в видимое, называется электронно-оптическим преобразователем ( Э О П ) . Принцип действия простейшего однокамерного Э О П показан на рис. 38. С помощью объектива на фотокатоде создается оптическое изображение. Под воздействием излучения возникает эмиссия фотоэлектронов, число которых в к а ж д о й точке катода пропорционально облученности. В момент выхода из фотокатода электроны направлены равномерно во все стороны, фокусирующая система «стягивает» их в узкий пучок, формирует изображение на экране, а кроме того, что очень важно, ускоряет фотоэлектроны, благодаря чему их кинетичес к а я энергия повышается до значения, способного вы-
звать свечение экрана-анода. Таким образом, вторичное преобразование осуществляется с помощью люминесцирующего экрана, который излучает свет в видимой области спектра. С экрана изображение может передаваться либо на сетчатку глаза (непосредственно или с помощью о к у л я р а ) , либо, например, на телевизионную трубку. Фотокатоды ЭОП являются теми же, что и у фотоэмиссионных приемников. Наиболее употребительны в настоящее время многощелочные катоды, спектральная характеристика которых сдвинута в и н ф р а к р а с н у ю область спектра. Их интегральная чувствительность составляет (1-—3) • Ю - 3 А - В т - 1 . П о д воздействием электрического поля, создаваемого в результате приложения между фотокатодом и анодом напряжения в несколько киловольт, фотоэлектроны, эмиттируемые катодом, устремляются к экрану-аноду. Обычно фокусировку осуществляют с помощью электростатической либо магнитной системы. Более распространены электростатические системы, которые одновременно являются и ускоряющими. В магнитных системах ускорения электронов не происходит. Р а з р е ш а ю щ а я сила электростатических систем достигает нескольких десятков линий на миллиметр. Их недостатками являются большая кривизна изображений, что с н и ж а е т р а з р е ш а ю щ у ю способность на краю поля, и большая подушкообразная дисторсия. Бороться с этими недостатками путем увеличения экранов трудно, т а к к а к при этом падает напряженность поля. В системах с магнитной фокусировкой достигается большая равномерность по полю, однако здесь имеется ряд специфических недостатков, как-то: трудность осуществить однородность магнитного поля во всем объеме ЭОП, громоздкость системы. З а последнее время успешно применяются системы фокусировки с короткими магнитными катушками, а т а к ж е смешанные (электростатические и магнитные) системы. В однокамерных Э О П используются порошковые экраны из мелкозернистых люминофоров. Электронный луч, попадая на зерна люминофора, отдает ему целиком или частично свою энергию. Тем самым возбуждаются электроны в кристалле. Некоторая часть этих возбужденных электронов передает свою энергию «центрам свечения» в кристалле, заставляя их светиться. Д р у г а я
их часть в результате вторичной эмиссии покидает крис-; талл, что обусловливает зарядку экрана. Свечение, воз-; никающее в люминофоре, отражается и рассеивается как на -самом возбужденном кристалле, так и на окружающих его кристаллах. Кроме того, имеет место и абсорбция (поглощение) света. Рассеяние и абсорбция зависят от толщины экрана и его типа, т. е. от р а з м е р а кристаллов, их поглощающих свойств и от глубины проникновения первичных электронов в толщу экрана. При слишком толстом слое люминофора свет вообще не проходит до передней части экрана. Люминофоры экранов преобразователей должны быть стойкими по отношению к нагреву до 350—400°С, т. е. не менять своих свойств при изготовлении преобразователя. Наиболее часто сейчас применяются следующие составы; цинк-сульфиды и селениды, кадмий-сульфиды и селениды, силикат цинка (виллемит). Спектральная характеристика экрана зависит от количественных соотношений и обработки этих материалов. Если прибор визуальный, то «максимум спектральной характеристики экрана стремятся совместить с максимумом чувствительности глаза. Д л я устранения обратной засветки, возникающей з результате диффузного свечения кристаллов люминофора, на переднюю поверхность экрана наносят тонкий зеркальный слой. Эта металлическая пленка не только увеличивает светоотдачу, но т а к ж е не дает з а р я ж а т ь с я люминофору, отводя от него заряды, накапливающиеся в процессе бомбардировки экрана электронами. Потери энергии при прохождении электронов через тонкий зеркальный слой (обычно, алюминиевое покрытие) малы по сравнению с большим выигрышем в светоотдаче экрана. Оптимальная толщина этого слоя 0,05—0,1 мкм. Р а з р е ш а ю щ а я способность экрана зависит от структуры люминофора так, что при уменьшении размера кристаллов она растет. Однако при этом уменьшении различные частицы будут светиться по-разному, т. е. с разной яркостью. Поэтому следует искать оптимальное соотношение между размером зерен и разрешающей способностью. В многокамерных Э О П для повышения разрешающей способности используются т а к ж е пленочные слои люминофоров. Эти экраны практически не рассеивают свет и могут обеспечить разрешение в несколько сотен линий
на миллиметр. Однако ш - з а ограниченных возможностей фокусирующих систем разрешение всего Э О П не превышает обычно 80—90 л и н - м м - 1 . В а ж н ы м параметром экрана является светоотдача, т. е. отношение световой энергии, излучаемой единицей поверхности экрана, к мощности потока облучающих ее электронов. Д л я типичных экранов она составляет 40— 50 к д - В г - 1 . Большое значение имеет инерционность экрана, зависящая от времени послесвечения люминофора, на которое оказывают влияние способ изготовления, состав и энергия активации люминофора и т. д. Если пойти на потерю в яркости свечения, то можно снизить послесвечение до 1 мкс. В то ж е время послесвечение может достигать нескольких секунд. Термоэлектронная и автоэлектронная эмиссия фотокатода приводят к слабому свечению экрана д а ж е при отсутствии внешней облученности фотокатода. Это свечение соответствует некоторой эквивалентной яркости пространства объектов, называемой яркостью темнового фона. Очевидно, что для увеличения дальности действия прибора с ЭОП и повышения его точности необходимо уменьшать яркость темнового фона и увеличивать коэффициент преобразования Э О П (отношение светового потока, излучаемого экраном, к лучистому потоку, пришедшему на фотокатод) и коэффициент яркости Э О П (отношение светимости экрана к облученности фотокатода) . Д л я увеличения яркости изображения в настоящее время применяют несколько способов. К ним относятся: последовательное соединение однокамерных ЭОП с помощью промежуточных линзовых систем; последовательное соединение однокамерных ЭОП в одном вакуумированном объеме методом оптического контактирования между экраном каждой предыдущей камеры и фотокатодом последующей или с усилением благодаря вторичной эмиссии «на прострел» тонкопленочных динодов; последовательное сочленение однокамерных ЭОП с помощью стекловолоконных пластин, а т а к ж е применение Э О П с микроканальным каскадом усиления. Соответствующие конструкции описаны в [20, 58]. И х разрешение достигает 30 пар л и н - м м - 1 по центру экрана. Коэффициенты яркости многокаскадных ЭОП достигают 10 6 —10 8 , что позволяет использовать их для ре-
гистрации очень слабых излучений или д л я работы в условиях естественной ночной освещенности 10~3— Ю- 4 л к на дальностях более 1 км. Однокамерные Э О П могут работать в ночных условиях только при облучении наблюдаемых объектов специальным инфракрасным прожектором, что заметно усложняет аппаратуру. Большое усиление яркости позволило успешно применять ЭОП в астрономии для уменьшения времени экспозиции при фотографировании небесных тел. Это позволило в значительной степени ослабить вредное воздействие турбулентной атмосферы на качество изображения звезд. При коэффициенте преобразования, достигающем 200, и интегральной чувствительности катода 150 м к А - л м - 1 р а з р е ш а ю щ а я способность ЭОП, применяющихся в астрономии, в центре поля достигает 50 л и н - м м - 1 и на краю — 33 л и н - м м - 1 . Н у ж н о отметить, что при времени наблюдения точечных источников менее 1 мс Э О П является практически бесшумовым прибором, так как основные шумы налагаются на полезный сигнал лишь с того малого участка фотокатода, где строится изображение источника, а не со всего фотокатода, как это бывает при использовании ФЭУ. В ряде случаев специальные импульсные Э О П применяются д л я регистрации быстропротекающих процессов. Их временное разрешение составляет 10-п— -14 Ю с. Перспективным представляется использование Э О П в качестве сканирующего устройства. Помимо электровакуумных преобразователей, в последнее время стали р а з р а б а т ы в а т ь с я твердотельные усилители яркости изображения, имеющие меньшие габариты и требующие меньших питающих напряжений. В них используются люминесцентные панели с нанесенным на них фотопроводящим слоем. Коэффициент усиления по яркости таких преобразователей достигает 800 при разрешающей способности 4—10 л и н - м м - 1 . Пороговая освещенность на входе составляет 3 - Ю - 2 лк [46]. Фотоматериалы. В результате оптическои сенсибилизации, осуществляемой путем ввода в фотоэмульсии специальных красителей, созданы фотографические эмульсии, чувствительные к инфракрасному излучению (до 1,1 мкм) и имеющие максимум на длине волны 1,02 мкм. Отечественные инфрахроматические материалы типа «инфрахром-760», «инфрахром-840» и «инфрахром-880»
имеют светочувствительность 1,4, 0,18 и 0,02 в единицах ГОСТ при разрешающей способности 65, 45 и 11 л и н Х Хмм-' 1 соответственно. (Цифры 760, 840 и 880 в наименованиях обозначают положение максимума спектральной чувствительности [ 3 1 ] ) . Д л я регистрации оптической информации в качестве преобразователей изображений могут использоваться двухслойные фототермопластические носители ( Ф Т П Н ) . Они представляют собой металлизированную основу, на которую последовательно наносятся тонкие (толщиной в несколько микрометров) фоточувствительный и термопластический слои. Д л я записи оптической информации на поверхность Ф Т П Н наносится равномерный электрический з а р я д и производится экспонирование. Б л а г о д а р я эффекту фотопроводимости полупроводникового слоя происходит перераспределение зарядов, приводящее к образованию скрытого электростатического изображения на границе «полупроводник — термопластик». Проявление изображения происходит при нагревании термопластика до температуры размягчения, при этом пондеромоторные силы электрического поля вызывают деформацию термопластика в соответствии с экспонированным изображением. Фиксирование деформационной картины осуществляется охлаждением термопластического слоя. Полученное изображение м о ж е т быть стерто путем равномерного нагрева всей пленки до 70— 110°С. Многократность процесса достигает 100 циклов (при периодичности 2—10 с). Фоточувствительность пленки составляет 1—2 единиц ГОСТ или Ю - 7 Д ж - с м - 2 . В зависимости от типа полупроводника рабочий диапазон длин волн л е ж и т между 0,35 и 0,8 мкм. Пленки Ф Т П Н нечувствительны к световому излучению ни до, ни после получения изображения. Срок хранения изображения зависит только от температуры хранения. При температуре хранения менее 20°С Ф Т П Н хранится 1—2 года. Разрешающ а я способность некоторых тонкослойных Ф Т П Н достигает 700 лин- м м - 1 . 5.10. ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Отдельную группу приемников при их классификации по конструктивному или эксплуатационному признаку составляют позиционно-чувствительные приемники излучения, параметры выходного сигнала которых (ча-
ще всего амплитуда) зависят не только от потока, соби- ; раемого на чувствительный слой, но и от того, к а к этот поток распределен по слою, т. е. от положения изображения на чувствительном слое. Эти приемники называют т а к ж е позиционно-чувствительными фотоприемниками (ПЧФ). Основным достоинством П Ч Ф является возможность заметно упростить конструкцию оптико-электронного прибора д л я линейных или угловых измерений. Функциональная зависимость между выходным сигналом и координатой изображения (статическая, или пеленгационная, характеристика П Ч Ф ) обычно известна, что позволяет исключить из оптической и электронной схем специальные анализаторы изображения, предназначенные для выделения из сигнала информации о пространственном положении излучателя. К а к правило, д л я высокоточных измерений используются П Ч Ф с линейной пеленгационной характеристикой. Крутизна характеристики в ее линейной зоне определяет чувствительность П Ч Ф — о т н о ш е н и е сигнала, приходящегося на единицу потока или облученности, к перемещению изображения на единицу длины. Крутизна пеленгационной характеристики может изменяться при изменении облученности чувствительного слоя. Стабильность параметров при изменении температуры П Ч Ф играет большую роль, т а к как изменение крутизны пеленгационной характеристики или уход ее нуля могут привести к значительным ошибкам в измерении положения излучателя, изображение которого в виде точки или штриха перемещается по чувствительному слою приемника. Помимо шумов, присущих обычным приемникам, у П Ч Ф в а ж н ы м параметром является так называемый дрейф нуля — величина, характеризующая изменение положения точки нулевого сигнала под влиянием старения, внешних электромагнитных полей, температуры, влажности. Эта нестабильность является более вредным фактором, чем рассмотренные в § 5.2 шумы, и именно она может определять точность угловых или линейных измерений, проводимых оптико-электронным прибором с П Ч Ф . Минимальное перемещение изображения (разрешающ а я способность), которое регистрирует П Ч Ф , определяется уровнем его шумов. З а исключением случайного дрейфа нуля, шумы П Ч Ф такие же, что и у обычных
приемников. Спектральная чувствительность, постоянная времени и другие параметры П Ч Ф определяются главным образом материалом, из которого он изготовлен, и физикой его работы. По физическому принципу работы приемники этой группы заметно отличаются друг от друга. Наиболее известны инверсионные фотодиоды (приемники, использующие продольный эффект в р—л-переходе), мозаичные (многоэлементные) приемники, фотопотенциометры, дифференциальные и профилированные фоторезисторы, фотоприемники с радиальным электрическим полем. Кратко рассмотрим их особенности. Инверсионные фотодиоды (продольные фотоэлементы). Сущность продольного, или бокового, фотоэффекта заключается в том, что в случае несимметричного относительно центра чувствительной площадки фотодиода падения пучка возникает дополнительная э. д.е., направление которой параллельно р—л-переходу [15, 39]. Эта э. д. с. пропорциональна удалению светового пятна от оси приемника. Зависимость этой дополнительной э. д. с. от положения светового пятна на чувствительной площадке фотодиода называется инверсионной характеристикой. На значительной части площадки интегральная чувствительность этого приемника увеличивается по определенным направлениям — вдоль р—л-перехода. Продольная фото-э.д.с. определяется как р/ , d + x и = 2ч w In •d— х ' где р —удельное сопротивление менее легированной л-области; w — толщина «-области; / — полный фототок; 2d — расстояние между контактами, расположенными с одной и той же стороны р—л-перехода; х — координата энергетического центра тяжести изображения по оси, соединяющей контакты. Д л я малых значений х (малых рассогласований) инверсионная характеристика может считаться линейной. Типичная инверсионная характеристика представлена на рис. 39. Ее линейность и крутизна являются важнейшими параметрами инверсионного фотодиода. Остальные параметры и характеристики этого приемника аналогичны параметрам и характеристикам обычных фотодиодов. Например, спектральные характеристики инверсионных приемников полностью совпадают с характеристиками
фотодиодов, изготовленных из того ж е материала (кремний, германий, сурьмянистый индий и другие). Крутизна характеристики может достигать порядка 10— 100 В - В т - 1 - м м - 1 , размеры линейной зоны инверсионной характеристики — нескольких миллиметров. Современные инверсионные приемники, работающие в составе и,мВ ОЭП, позволяют обнаружить .смещение излучателя на десятые доли угловой секунды. В а ж н о отметить, что используя две пары взаимXJ1M но перпендикулярных базовых контактов, можно создать двухмерный приемник, с помощью которого можно определять две коорРис. 39. Типичная инверсиондинаты излучателя. ная характеристика. Схемы включения инверсионного фотодиода приведены на рис. 40. Возможно включение нагрузочного сопротивления между базовыми контактами фотодиода. При этом знак выходного сигнала указывает, вправо или влево от оси симметрии сместилось изображение излучателя. П о д а в а я напряжение смещения на базовые
Рис. 40. Схемы включения инверсионных фотодиодов.
контакты, можно изменять положение нулевой точки инверсионной характеристики, что выгодно применять в ряде быстродействующих ОЭП. Осуществляя так называемую электронную модуляцию выходного сигнала фотодиода, что достигается вводом специального модулятора (М) (прерывателя) в цепь его переходного контакта (рис. 40), можно изменять во времени крутизну 140
инверсионной характеристики по заданному закону. Такая схема включения инверсионного фотодиода облад а е т всеми достоинствами мостовых балансовых схем, а применение синхронизации между цепью управления п а р а м е т р а м и излучателя и цепью приемника открывает перед ней перспективы с точки зрения повышения ее помехозащищенности. Основным фактором, ограничивающим сегодня широкое использование инверсионного приемника, является зависимость его параметров от облученности его чувствительной площадки, т. е. от полного фототока 1 в приведенном выше выражении, а т а к ж е заметный дрейф нуля. Это препятствует его применению в особо точных ОЭП, предназначенных д л я измерения линейных и угловых величин и работающих при изменяющихся облученностях входного зрачка. Один из наиболее в а ж н ы х параметров инверсионного приемник а — крутизна его характеристики — может меняться в зависимости от цеРис. 41. Профилилого ряда причин: от конфигурации рованный фоторезистор. изображения излучателя на слое, от амплитуды сигнала, от уровня фона. В работе [48] были рассмотрены некоторые из этих зависимостей и сделаны следующие выводы д л я случая малого сигнала при равномерной фоновой засветке: 1) линейность инверсионной характеристики не зависит от сопротивления нагрузки в цепи фотодиода Я н ; 2) максимальное выходное напряжение (при засветке слоя на краю линейной зоны инверсионной характеристики) с ростом R u сначала линейно увеличивается, а затем асимптотически приближается к некоторому пределу; 3) максимальный ток в цепи фотодиода при Ra=О равен /ф/2, где /ф — фототок; при увеличении RH максимальный ток уменьшается, причем тем скорее, чем больше RH.
5Е
Результаты эксперимента, приведенные в этой ж е работе, показывают, что наличие фона приводит к искажению линейности инверсионных характеристик и к уменьшению сигнала. В литературе [15, 48] имеются указания на попытки и з б е ж а т ь влияния облученности и температуры на инверсионную характеристику. Предлагается использовать насыщение фотодиода при значи-
тельных облученностях. При этом германиевые фотодиоды обладают неплохой стабильностью инверсионной характеристики до температуры около + 35°С, а кремниевые — до значительно большей температуры. Предполагается также, что использование ряда новых материалов, например арсенида галлия, т а к ж е будет способствовать решению этой важной задачи. Многоэлементные (мозаичные) ПЧФ. Чувствительный слой таких приемников состоит из нескольких (часто из многих) отдельных элементов, в простейшем случае — двух, заключенных в одном корпусе. Таким образом, происходит разделение площади д и а ф р а г м ы поля зрения, определяемой общим размером чувствительного слоя, на отдельные элементы, размеры и форма которых могут быть довольно разнообразными. Следовательно, поле зрения ОЭП оказывается как бы разделенным на небольшие участки, соответственно числу элементов мозаики приемника. Просмотр разделенного на элементы поля зрения осуществляется с помощью быстродействующих коммутирующих устройств, «опрашивающих» последовательно элементы мозаики путем подключения этих элементов ко входу электронной системы или логического устройства. Такое разделение оказывается удобным с точки зрения как упрощения анализа поля изображений, так и помехозащищенности. Пропорционально корню квадратному из изменения площади отдельного элемента меняется порог его чувствительности, а кроме того, повышается и помехозащищенность всего прибора. Однако наряду с достоинствами мозаичных приемников им присущи и определенные недостатки. Во-первых, сложна система коммутации и синхронизации сигналов, получаемых со множества элементов мозаики. Очень трудной представляется задача создания быстродействующих, надежных и удобных в эксплуатации переключающих устройств (коммутаторов). Во-вторых, наличие промежутков между элементами мозаики в некоторых приемниках снижает к. п. д. прибора. Этот недостаток часто устраняется с помощью использования волоконной иммерсионной оптики. Весьма сложной технологической задачей на сегодня является размещение большого числа элементов на малой площади. Так как мозаичный приемник устанавливается в плоскости изображений или поблизости от нее, здесь мо-
жет заметно сказываться неравномерность чувствительности по площади отдельного элемента. При уменьшении этой площади еще более заметно сказывается разброс чувствительности отдельных элементов. Этот разброс бывает довольно большим д а ж е при одинаковой технологии изготовления элементов мозаики. Простейшим приемником этого типа является двухплощадочный (разрезной) приемник, состоящий из двух частей, разделенных небольшим промежутком. Этот промежуток играет роль места нуля инверсионного фотодиода. К двухплощадочному приемнику полностью применима система параметров и характеристик инверсионного приемника, т. е. понятия статической, или пеленгационной, (аналогично инверсионной) характеристики, ее крутизны, дрейфа нуля и др. Хотя обе площадки такого приемника изготавливаются обычно в совершенно одинаковых условиях или вырезаются из одной заготовки, все ж е не удается полностью устранить разброс их чувствительностей, т. е. и здесь отмечается дрейф нуля при изменении окружающих условий или при длительной эксплуатации приемника. Область статической характеристики двухплощадочного приемника, в которой выходной сигнал изменяется от минимума, соответствующего уровню шума, до максимума, когда изображение излучателя полностью переходит на одну из площадок, равен размеру изображения. Очевидно, что линейность и крутизна характеристики т а к ж е зависят от параметров изображения — формы и закона распределения освещенности. Достоинствами таких П Ч Ф являются большая крутизна, небольшой дрейф нуля, высокое быстродействие. К их недостаткам следует отнести сравнительно небольшой рабочий участок пеленгационной характеристики, определяемый размером изображения, а главное, зависимость крутизны этой характеристики от многих параметров (формы, размера, ориентации изображения излучателя, закона распределения освещенности и др.). Помимо однокоординатных П Ч Ф , измеряющих рассогласования вдоль одной из осей координат, имеются и двухкоординатные мозаичные приемники. Простейшим из них является квадрантный разрезной фотодиод, представляющий собой пластину полупроводника с р — «-переходом, разделенную на четыре части с промежутками порядка 0,05—0,1 мм. К каждой из частей подведены
токосъемные контакты, с помощью которых можно образовать, например, разностную (дифференциальную) схему включения отдельных площадок. В ряде случаев отдельные элементы чувствительного слоя используются не д л я образования полезного сигн а л а , а для компенсации влияния переменных внешних условий (температуры, давления, влажности, уровня фоновой освещенности и т. п.). Как у ж е указывалось, это широко применяется в болометрах и термоэлементах. В настоящее время наиболее распространены многоэлементные фоторезисторы, фотодиоды, болометры и термоэлементы, изготовляемые методом испарения или напыления в вакууме. Имеются т а к ж е конструкции фотоэмиссионных приемников с многоэлементной структурой фотокатода.
Функциональные фоторезисторы и фотодиоды (профилированные фотоприемники). Выбирая определенным
образом форму чувствительного слоя фоторезистора или фотодиода, можно создать довольно простой по конструкции П Ч Ф . На рис. 41 представлен профилированный фоторезистор с чувствительной площадкой в виде трапеции. И з о б р а ж е н и е формируется в виде точки или линии. Так как напряжение питания иа цепи постоянно, то напряженность электрического поля между электродами обратно пропорциональна расстоянию между ними. Поэтому при перемещении изображения от большего основания трапеции к меньшему выходной сигнал на сопротивлении нагрузки RH увеличивается. Фотопотенциометры. Схема фотопотенциометра представлена на рис. 42. На резистивном слое 1 создается падение напряжения от внешнего источника и0. Резистивный слой является одним из контактов фотопроводящего слоя 2. Второй контакт 3 является омическим и служит коллектором. Фотопотенциометр освещается световым зондом 4 в виде полоски.. В месте засветки образуется проводящий мостик, сопротивление которого на несколько порядков меньше сопротивления необлучаемых участков. Поэтому ток, проходящий на сопротивление нагрузки RH, определяется потенциалом резистивного слоя на уровне светового зонда. Следовательно, величина Ивы* является функцией координаты центра зонда, выполняющего здесь ту ж е роль, что и движок в обычном потенциометре. Выходное напряжение отличается от потенциала на уровне зонда на величину паде-
ние напряжения на освещенном участке фотопроводящб' го слоя, которое много меньше ы„Ых- Утечкой тока через необлучаемые участки фотослоя можно пренебречь, если удельное продольное сопротивление значительно меньше удельного (приведенного к единице длины) темнового поперечного сопротивления фотослоя, а поперечное со^ противление освещенного фотослоя во много раз меньше его темнового сопротивления. Фотопотен ц и о м ет р ы имеют неплохую чувстви-
Рис. 42. Схема работы фотопотенциометра.
Рис. 43. Принцип действия ПЧФ с радиальным электрическим полем.
тельность (десятки милливольт на миллиметр), их разрешающая способность достигает нескольких микрометров на длине 10—70 мм, отклонения от линейности могут быть уменьшены до 1—5%. Основным недостатком фотопотенциометров является низкое быстродействие, оцениваемое постоянными времени в несколько миллисекунд. Позиционно-чувствительные фотоприемники с радиальным электрическим полем [22]. Принцип действия этого приемника сводится к следующему (рис. 43). Н а полупроводниковой пластине на расстояниях, не превышающих 2/ д (/ д — диффузионная длина), установлены две пары омических контактов 1 и 2 для съема сигнала смещения объекта по двум взаимно перпендикулярным направлениям. На этой ж е стороне кристалла нанесен кольцевой электрод 3, к которому подается синусоидальное напряжение относительно точечного модулирующего электрода 4, расположенного на противоположной сто10-783
145
S
«О
is§ I «ю "8 II S©
ч Ю я H
п"/
IS
I
к П S §s Is •е :г
(M C V)
SC36~л H ЯОО9i R S ! li?"
к
i s j* Щ?
f(8
a« S o s5Ss pg^co
с
2 ЕС Я S
t^ — I" "s 7 I
et о г о.
о о и ЯО _ о я s fS «=( SIS. о
к з а. о н
I
I
я, и Ь .я s. с о £® = о5 ""d CD 5 вх о= аЬ § ч 1г!
о X
4« С IfeSa;
|£
too s s a0i Ss I OJ в ч0) вИ
«II Eli H ь5 =2 С
S3 § 1t L3 S 8. К - о„ 2о £Ч § I ste ©ей
роне образца. Это переменное напряжение создает радиальное электрическое поле для носителей, генерированных на поверхности кристалла, и осуществляет модуляцию выходного сигнала. Ввиду незначительной толщины кристалла можно пренебречь вертикальной составляющей этого поля и считать, что оно распространяется по поверхности кристалла. Пусть изображение какого-либо объекта проектируется в центр образца в виде пятна конечных размеров. В этом случае на диффундирующие в образце носители тока действует переменное электрическое поле, которое будет изменять закон их распределения, снося последние к снимающим электродам 1 и 2. При этом имеет место периодическое изменение потенциала на электродах с частотой изменения радиального электрического поля, создаваемого источником переменного напряжения 5. Пока объект находится в центре образца, потенциалы на соответствующих электродах 1 (и 2) изменяются одинаково и выходной сигнал их—0. При смещении излучающего объекта относительно центра нарушается симметрия распределения носителей тока, и точкам 1 (и 2) будут соответствовать новые потенциалы, разность которых пропорциональна смещению, а фаза сигнала будет у к а з ы в а т ь на направление смещения. П а р а м е т р ы некоторых П Ч Ф приведены в табл. 16 и 17.
5.11. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПЕРЕДАЮЩИЕ ТРУБКИ. СКАНИСТОР
В качестве приемников излучения в некоторых ОЭП используются телевизионные передающие трубки, а такж е их твердотельные аналоги и развертывающие приемники излучения. Их основной функцией является преобразование потока лучистой энергии, формирующего изображение, в электрический сигнал, которое осуществляется одновременно с последовательным электронным сканированием (разверткой) пространства изображений. Эти приемники, таким образом, являются и сканирующими устройствами (см. гл. 7). Основные первичные параметры и характеристики телевизионных передающих трубок те же, что и у обычных приемников: спектральная и интегральная чувствительность, квантовый выход, порог чувствительности, спектр мощности шума и т. д. Их характеристики и паю* 147
раметры как сканирующих устройств (например, апертурная и динамическая характеристики) зависят во многом от этих первичных параметров и характеристик. Рассмотрим некоторые из этйх устройств, наиболее часто используемые на практике. Суперортикон. Схема работы суперортикона представлена на рис. 44. Изображение поля зрения строится на поверхности полупрозрачного фотокатода 1, откуда
Рис. 44. Схема работы суперортикона.
под действием излучения эмиттируют электроны в количестве, пропорциональном освещенности в данной точке. Ускоряющая система 2 способствует тому, что траектории движения электронов оказываются параллельными оси трубки. Пройдя через сетку 3, электроны ударяются о поверхность полупроводящей пластины 4 и выбивают из нее вторичные электроны так, что на один первичный электрон приходится несколько вторичных, улавливаемых сеткой. В результате этого точки поверхности пластины 4 получают различный положительный потенциал, рельеф которого соответствует распределению освещенности на фотокатоде, усиленному пропорционально коэффициенту вторичной эмиссии. Вторая сторона пластины 4 сканируется электронным лучом 5. Составляющие этот луч электроны, создаваемые электронной пушкой 8, ускоряются отклоняющей системой 7, а при подходе к пластине 4 снова замедляются тормозящим электродом 11 почти до нулевой скорости. В тех местах, где на пластине 4 имеется наибольший положительный потенциал, т. е. в местах, соответствующих наибольшей яркости поля зрения, электронный луч отдает пластине-мозаике 4 для компенса-
цин потерянного ею з а р я д а большее число электронов, а оставшаяся небольшая часть их возвращается обратно (луч 6) к электронному умножителю 9. Таким образом поток электронов, возвращающихся от мозаики 4, оказывается промодулированным в соответствии с освещенностью отдельных элементов изображения. Усиленный вторично-электронным умножителем 9, аналогичным системе диодов ФЭУ, поток электронов 6 поступает на выход 10 суперортикона и далее на усилитель. 1
1
3
В
It
5
В этой трубке потенциальный рельеф накапливается за время развертки всего кадра (за период сканирования). Чувствительность суперортикона поэтому велика. Минимальный уровень пороговой освещенности для суперортикона может составлять около Ю - 4 лк. Это позволило довольно широко применять суперортикон при астрономических наблюдениях. Видикон (рис. 45). Принцип действия видикона основан на эффекте фотопроводимости. И з о б р а ж е н и е объекта проектируется на фотопроводящий слой 1, расположенный на переднем торце электровакуумной трубки. Электронный прожектор (пушка) 5, состоящий из катода и управляющих электродов, создает электронный луч 4. Этот луч ускоряется и фокусирующей системой 6 направляется на внутреннюю поверхность мишени видикона /. Сканирование электронным лучом осуществляется отклоняющей системой 3. Тормозящий электрод-
сетка 2 обеспечивает подход электронов к фотослою 1 по нормали и с малой скоростью. Если на фотослое имеется изображение поля зрения, то различия в сопротивлении на разных его участках соответствуют различиям в освещенности. Скорость разряда в отдельных точках фотослоя обратно пропорциональна сопротивлению в этих точках. Сканируя по слою, электронный луч п о д з а р я ж а е т его, компенсируя утечку з а р я д а с освещенных участков. Ток з а р я д а , протекая через нагрузочное сопротивление 7, создает на нем напряжение сигнала, соответствующее освещенности фотослоя в сканируемой точке поля обзора. В качестве фотослоя в некоторых видиконах используются неохлажденные фоторезисторы, чувствительные к инфракрасному излучению, например, слои P b S . В настоящее время р а з р а б о т а н ы два типа видиконов. Один из них о б л а д а е т достаточно высокой чувствительностью, но значительной инерционностью. Другой имеет малую инерционность, а чувствительность его невелика. Минимум освещенности д л я трубок первого типа составляет около 0,1 лк, а постоянная времени — около 0,1 с. Созданы видиконы, у которых вместо фотопроводящего слоя используется матрица-мозаика, состоящая из большого числа очень малых по размеру кремниевых фотодиодов (кремниконы). Инерционность кремниконов мала, они не боятся больших засветок [28]. Диссектор. Схема работы диссектора представлена на рис. 46. Фотокатод 1 помещен на внутренней стенке электровакуумной трубки. Здесь ж е строится изображение наблюдаемого пространства. Анод расположен на другом конце трубки и отделен от катода диафрагмой 3 с отверстием. Анод снабжен электронным умножителем 4. Поток электронов, эмиттируемых катодом, устремляется к аноду. При помощи магнитного или электростатического поля, формируемого отклоняющей системой 2, надетой на трубку, электронное изображение перемещается по д и а ф р а г м е 3. В отверстие этой д и а ф р а г м ы в соответствии с законом перемещения попадают последовательно различные участки поля зрения. Прошедшие в отверстие фотоэлектроны, интенсивность которых пропорциональна осйещенности соответствующей точки на фотокатоде, попадают на умножитель. Сигнал с выхода диссектора попадает на электронный усилитель.
Изменяя форму и амплитуду напряжений, подаваемых на отклоняющую систему, можно осуществлять различные траектории развертки поля обзора. В диссекторе сканирование не связано с накоплением зарядов на светочувствительном слое, что отличает его от рассмотренных телевизионных трубок, поэтому быстродействие диссектора выше, чем у трубок с накоплением. Кроме
1
г
з
и
того, диссектор обладает т а к ж е способностью передавать сигнал, соответствующий постоянной освещенности на фотокатоде. Р а з р е ш а ю щ а я способность некоторых диссекторов достигает более чем 1000 строк, при этом общее количество элементов, на которое можно р а з л о ж и т ь поле зрения, составляет около одного миллиона. Однако при таком хорошем разрешении д а ж е при малой скорости сканирования на один элемент р а з л о ж е н и я приходится столь малое время, что число электронов от этого элемента, проходящих через диафрагму, т а к ж е невелико и близко к порогу чувствительности фотокатода. В трубках с накоплением на элементе р а з л о ж е н и я заряд накапливается за весь период сканирования, т. е. их чувствительность выше, чем у диссектора. В то ж е время тот факт, что в каждый момент времени в диссекторе просматривается лишь м а л а я часть площади фотокатода, создает диссектору заметное преимущество перед фотоумножителем, в котором шумы определяются всей площадью фотокатода. Д л я увеличения спектрального диапазона работы, ограниченного спектральной чувствительностью фотока-
'Годов, телевизионные трубки типа суперортикона или видикона иногда объединяют с электронно-оптическими преобразователями, о х л а ж д а ю т фотокатод, используют дополнительную подсветку фотокатодов [27, 46]. Эти меры позволяют увеличить спектральный диапазон их работы до 4 мкм. В табл. 18 приведены параметры некоторых передающих трубок. Таблица
18
Технические параметры некоторых передающих телевизионных трубок [31, 38]
Тип трубки
Суперортикон ЛИ-17 ЛИ-201 Видикон ЛИ-410 ЛИ-414 ЛИ-420 Диссектор ЛИ-601 ЛИ-603 ЛИ-604
Разрешающая способность, Область максилин/мм мапьчой спект- Размер рабочей ральной чувповерхности, ствительности, мм в центпо мкм ре краям
0,40—0,70 0,40—0,95
24X32 24X32
625 625
—
0,45—0,60 0,50—0,56 0,42—0,78
18X18 9,5X12,7 9,5X12,7
800 600 500
800 500 400
0,44—0,58 0,65—0,85 0,42—0,50
24X24 10X32 0 25
—
60
—
—
—
300
250
Рабочая освещенность на фотокатоде, лк
0,5—5 1,2—15 8 1 10 100 50 100
Сканистор. В последние годы наметилась явная тенденция развития твердотельных аналогов передающих телевизионных трубок, обладающих меньшими габаритами и массой, большей эксплуатационной надежностью. В качестве примера рассмотрим принцип действия одного из типов сканисторов, работающих в качестве одномерных развертывающих приемников. Н а рис. 47,а представлена схема работы сканистора. Поток Ф, создающий изображение, неравномерно распределен по поверхности сканистора. В пластинах А и Б имеется достаточно большое число р—га-переходов, соединенных попарно и включенных навстречу друг другу. Если к контактам 1 и 2 приложить некоторое постоянное напряжение иБ, то при однородном распре-
делении сопротивления вдоль пластины Б это напряжение вдоль нее распределено линейно. К каждой паре диодов (р—«-переходов) приложено напряжение иБх/Ь, где л ; - - к о о р д и н а т а вдоль пластины Б, L — расстояние между контактами 1 и 2. Д л я р—«-переходов в пластине Б это напряжение является запирающим, а в пластине А — прямым. Если теперь подать на пластину А напряжение Ua, изменяющееся во времени по закону UA — UAot/T с периодом Т, то к любой паре переходов в пластине А
"бЫХ .-лаДал^ t
а Рис. 47. Схема работы сканистора.
с координатой х будет приложено напряжение = uBx\L—UAot/T. В момент времени >tx = T (uJuAo)
Аы = (x/L),
когда А и = 0 , происходит изменение знака Дм, и оно становится прямым для р—«-переходов в пластине Б и обратным — в А. Если р—«-переходы в пластине А являются элементарными фотодиодами, ток в них определяется освещенностью в каждой точке х. З а время одного периода Т происходит как бы опрос (какова освещенность в точке х) последовательно всех переходов вдоль пластины А. Дифференцируя выходной сигнал, например, к а к это показано на рис. 47,6, с помощью трансформатора, можно на выходе получить импульсы, амплитуды которых в момент tx пропорциональны освещенности в точке х. Достоинствами этого приемника является большой срок службы, высокая надежность, быстродействие, компактность. Возможны и двумерные конструкции сканисторов,
МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛА В ОПТИКОЭЛЕКТРОННОМ ПРИБОРЕ 6.1. НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСОБЕННОСТИ МОДУЛЯЦИИ ЛУЧИСТОГО ПОТОКА В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОМ ПРИБОРЕ
Очень часто прием и измерение параметров полезного сигнала в ОЭП нельзя или трудно вести без принятия специальных мер, обеспечивающих отделение (фильтрацию) сигнала от помех, усиление его до необходимого уровня, предварительного выделения достаточно характерных признаков и т. д. К числу одних из наиболее распространенных мер такого рода относятся модуляция и демодуляция.
pit) Рис. 48. Схема активного метода работы ОЭП с использованием модуляции у источника: / — п е р е д а ю щ а я система ( и з л у ч а т е л ь ) ; / / — п р и е м н а я оптико-электронная система; М Н — м о д у л я т о р несущей частоты, П И — приемник излучения, УНЧ — у с и л и т е л ь несущей частоты, Д У — д е т е к т о р у п р а в л я ю щ е й , УУЧ — у с и л и т е л ь у п р а в л я ю щ е й частоты.
Модуляцией принято называть изменение сигнала — носителя энергии в соответствии с передаваемой информацией. Д л я О Э П в большинстве случаев модуляция заключается в изменении одного из параметров (чаще всего амплитуды) потока излучения по заданному закону. Д л я рассмотрения достаточно типичного случая обработки сигнала с использованием модуляции обратимся к следующей схеме (рис. 48). Предположим, что О Э П д о л ж е н определить угловые координаты излучателя, находящегося от него на значительном расстоянии. Излучатель и приемная система находятся в приземном
слое атмосферы. Д л я уменьшения влияния посторонних излучателей, турбулентности атмосферы, сказывающейся в мерцании и дрожании изображения излучателя, а т а к ж е для лучшей фильтрации сигнала на фоне шумов приемника излучение наблюдаемого источника промодулировано по амплитуде. Частоту этой модуляции называют несущей частотой, так к а к именно на ней переносится сигнал. Условимся считать, что если излучатель неподвижен, то амплитуда сигнала несущей частоты на приемнике излучения постоянна. Если ж е излучатель перемещается в поле зрения прибора, то эта амплитуда изменяется в соответствии с этим перемещением (например, при использовании в приемной системе анализатора в виде полудиска или светоделительного б л о к а ) . Именно в этом изменении и содержится полезная, искомая информация о пространственном положении излучателя. Частоту, с которой происходит это изменение, назовем управляющей частотой. Поступающий на вход приемника излучения сигнал оказывается, таким образом, д в а ж д ы промодулированным. В сигнале на частоте управления содержится информация о положении излучателя. Модуляция с частотой несущей необходима для обеспечения помехозащищенности прибора, т. е. ее целью является перенос спектра передаваемого информационного сигнала в такую область, где меньше влияние шумов и проще его обработка. Образованный на выходе приемника сигнал можно усилить, отфильтровать от помех и шумов. Основная доля энергии сигнала л е ж и т в области высоких частот (около несущей частоты), поэтому в первых каскадах электронного тракта можно с помощью фильтра отделить «высокочастотный» сигнал от «низкочастотных» помех и шумов. З а т е м следует выделить информацию о положении источника, т. е. получить электрический сигнал с частотой управления, точно повторяющий закон перемещения излучателя в поле зрения. К а к будет показано ниже, в спектре сигнала на выходе приемника и следующих за ним линейных звеньев (усилителя, фильтра) не содержится составляющих с частотой управления. Поэтому д л я восстановления управляющего сигнала приходится прибегать к нелинейной операции, обратной модуляции. Процесс восстановления управляющего сигнала, который в неявной форме
содержится в промодулированном сигнале, называется демодуляцией или детектированием. Оптическая система ОЭП наряду с полезным сигналом (поток от исследуемого объекта) образует изображения ряда мешающих, вредных излучателей — помех. Одним из основных средств выделения полезного сигнала на их фоне т а к ж е является модуляция. В силу своей инерционности большинство приемников излучения, используемых в настоящее время в ОЭП, не реагирует на изменения мощности излучения, происходящие с частотой света (10 14 —10 16 Гц). Поэтому оптическое излучение очень часто принимают постоянным во времени. Поступив на приемник, поток создаст на его выходе постоянный электрический сигнал. Этот сигнал обычно невелик по мощности, поэтому его требуется усилить. Наибольшее распространение получили усилители переменного тока, о б л а д а ю щ и е по сравнению с усилителями постоянного тока более высокой стабильностью работы, возможностью более простого управления параметрами схемы и рядом других преимуществ. Однако при их использовании требуется, чтобы сигнал, поступающий на вход усилителя, был переменным, что т а к ж е достигается с помощью модуляции. Наконец, часто модуляция позволяет уменьшить полосу пропускания электронного тракта ОЭП, что способствует повышению его помехозащищенности по отношению к внутренним шумам (шумам приемника, усилителя и т. д.). Общей теории модуляции посвящены специальные разделы электротехнических и радиотехнических курсов. После изложения простейших общих положений этой теории будут рассмотрены особенности модуляции, применяемой в ОЭП. В оптическом диапазоне используются те ж е основные виды модуляции, что и в радиодиапазоне, т. е. амплитудная, угловая (фазовая и частотная) и поляризационная. Способы модуляции оптического сигнала могут быть разделены па аналоговые, импульсные и цифровые. В аналоговых модуляторах параметры колебания изменяются непрерывно в соответствии с модулирующим сигналом. В силу относительной технической простоты здесь наибольшее распространение на сегодня получила аналоговая амплитудная модуляция — процесс управления амплитудой электромагнитного колебания
оптической частоты или интенсивностью этого колебания, т. е. амплитудой лучистого потока. Очень часто процесс модуляции сводится к созданию последовательности импульсов потока. В этом случае говорят об импульсной модуляции. В зависимости от вида модулируемого параметра различают амплитудноимпульсную модуляцию ( А И М ) , частотно-импульсную ( Ч И М ) , модуляцию импульсов по длительности ( Д И М ) , фазоимпульсную ( Ф И М ) и некоторые другие виды модуляции. Помимо аналоговой (непрерывной) и импульсной модуляции в ряде случаев используется цифровая модуляция, при которой к а ж д о м у значению сигнала соответствует дискретная группа символов (код). Эта группа обычно состоит из набора «единиц» и «нулей». Такую модуляцию называют кодово-импульсной ( К И М ) . К а к у ж е отмечалось выше, в ОЭП возможна модуляция с несущей (в радиотехнике — поднесущей) и без нее. В первом случае (см. разобранный в начале этого п а р а г р а ф а пример) сигнал, содержащий полезную информацию, модулирует более высокочастотное (несущее) колебание. Во втором случае перенос полезной информации и модуляция происходят на одной и той ж е частоте. Основные особенности модуляции сигналов в ОЭП проистекают из-за характеристик и ограничений реальных модуляторов — устройств, осуществляющих модуляцию. Большинство оптических модуляторов управляет интенсивностью (квадратом амплитуды) электромагнитного колебания оптической частоты. (В радиотехнике чаще осуществляется модуляция по амплитуде колебания.) Это о т р а ж а е т с я на выборе методов приема и обработки сигнала (см. § 9.1). В ОЭП затруднено применение фазовых модуляторов ввиду нестабильности приемных и передающих устройств. В то ж е время применительно к оптическим сигналам гораздо проще осуществить способ поляризационной модуляции. Особенностью модуляции по интенсивности, осуществляемой в оптических системах ОЭП, является то, что здесь имеет место постоянное по знаку, а не знакопеременное (как в электронике) колебание, поэтому мощность переменной составляющей потока никогда не бывает больше половины мощности сигнала, пришедшего
На вход системы. К особенностям модуляции в ОЭП относится и то, что модулятор часто выполняет функции а н а л и з а т о р а изображений, а это с к а з ы в а е т с я на выборе р я д а его конструктивных параметров, в первую о ч е ! редь — рисунка растра. 6.2. СПЕКТРЫ МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
Д л я расчета основных п а р а м е т р о в О Э П в целом и|: отдельных его звеньев очень часто необходимо з н а т ь ! спектры сигналов. В частности, очень в а ж н о о п р е д е л и т ь ! спектр сигнала на выходе модулятора. Р а с с м о т р и м в общем виде случай, когда л у ч и с т ы й ! поток, несущий полезную информацию и я в л я ю щ и й с я ! функцией времени <р(0. модулируется по з а к о н у п е р и о - | дической функции x.(t). Этот случай весьма п о д р о б н о ! описан Н. С. Шестовым [54]. О б р а з о в а н и е з а в и с и м о с т и ! ф(^) м о ж е т происходить к а к в передающей системе (мо-1 дуляция у и з л у ч а т е л я ) , т а к и в приемной о п т и к о - э л е к « тронной системе. В последнем случае функции <р(/) и | х ( / ) могут з а д а в а т ь с я одним и тем ж е звеном — а н а л и - | затором, выполняющим одновременно функции модуля-1 тора. Функция х ( 0 может создаваться при с к а н и р о в а - 1 нии к а к в пространстве объектов, т а к и в п л о с к о с т и ! и з о б р а ж е н и я , т. е. при взаимном относительном п е р е м е - | щении а н а л и з а т о р а и и з о б р а ж е н и я . В р а с с м о т р е н н о м ! выше примере (рис. 48) закон модуляции ф(/) с о з д а е т - ! ся модулятором, р а с п о л о ж е н н ы м у источника, а х ( 0 | описывает сигнал у п р а в л я ю щ е й частоты. Уравнение] сигнала на выходе системы, где происходят процессы] Ф(/) и х ( 0 , имеет вид: фм(0=ф(0*(0-
(6.1)
Если функция х ( / ) я в л я е т с я четной, что всегда возможно при соответствующем выборе н а ч а л а отсчета, то ее можно р а з л о ж и т ь в р я д Фурье: 00
и(г) = %0 + 2
X„COS 4wJ.
(6.2)
п= 1 Спектр сигнала на выходе Фм(0> равен: 158
всей
системы,
т. е. спектр]
фм(ю)=
j'9„(^)exp(—]mt)dt —
-f оо =
j' ? ( 0
X>
"H^J ^n COS/l
(6.3)
Используя формулу Эйлера cosnwj — [exp (/давмО + - | - e x p ( — j r n a J ) ) J 2 и проводя интегрирование под знаком суммы в (6.3), получаем Фм («)) = к»
j ? (t) ехр (—jwt) dt -j—00 I +00
ОО
S i n=1 +
v {t) exp f • —00
; (ш дам)t] dt
-
+
j + «°>м) t) dt i = х„Ф ((о)
—00 00 -f-i-
Xn [ф (
(6.4)
rt=l
Т а к и м образом, спектр промодулированного сигнала является суммой спектра сигнала до его модуляции Ф(со) и совокупности п гармоник того ж е спектра Ф(со), взятых со сдвигом по частоте на значения пю м , кратные частоте модуляции. В простейшем случае, когда функции ф ( / ) и х (t) описывают гармонические колебания, а глубина модуляции, т. е. относительное изменение амплитуды сигнала, р а в н а единице, спектр <р м (0 = = (1 + sin ШмО sin at состоит из гармоник несущей частоты ш и двух «спутников» — г а р м о н и к частот со + Мм и со—(ом, амплитуды которых вдвое меньше амплитуды несущей (рис. 49,а). В монографии [54] рассмотрен р я д примеров использования ф о р м у л ы (6.4) д л я расчетов спектра сигнала на выходе некоторых распространенных на практике модуляторов (гармонический модулятор; прямоугольный модулятор, т. е. модулятор, создающий последовательность прямоугольных импульсов; т р а п е ц е и д а л ь н ы й модулятор, создающий т р а п е ц е и д а л ь н ы е импульсы) и 150
указаны пути конструктивной реализации этих модуляторов. Д л я большинства сигналов спектральное разложение модулированного потока может быть произведено с помощью р я д а Фурье. Многие часто встречающиеся на практике последовательности импульсов описываются хорошо известными и приведенными в справочниках разложениями. Так, последовательность прямоугольных импульсов с коэффициентом заполнения (отношение ФМШ)
чм
АН
5=5
11111
и-ин
и
ы+еом - и
Шо 2Аш
а
LL ы
5
Рис. 49. Спектры модулированных сигналов при AM (а) и ЧМ (б).
длительности импульса к его периоду) у и амплитудой Фо р а з л а г а е т с я в следующий ряд: 00
Ф (t) = уФ0 + 2Фо ^ (sin гслу/ия) cos mat. (6.5) n=I Т а к а я последовательность имеет место при обтюрации потока, когда размер сечения пучка в плоскости обтюратора гораздо меньше полупериода (прозрачной части) модулятора. При у = 0.5 и п= 1 первые два члена разложения сигнала в ряд Фурье имеют вид: Ф (t) = Ф 0 /2 + (2/«) Ф„ cos wt.
(6.6)
Переменный сигнал в виде потока в приемнике преобразуется в ток или напряжение. При линейной зависимости между потоком и электрическим сигналом коэффициенты р а з л о ж е н и я в ряд сохраняют свои значения для амплитуд гармоник электрического сигнала. Д л я оценки мощности электрического сигнала их необходимо возводить в квадрат. Например, д л я последовательности прямоугольных импульсов при у = 0 , 5 мощность, переносимая первой гармоникой, составляет около 80% от всей 160
мощности, переносимой переменной частью сигнала (с учетом потери 50% общей энергии за счет постоянной с о с т а в л я ю щ е й ) . П о э т о м у иногда т а к у ю А И М считают эквивалентной непрерывной AM. С увеличением скважности импульсов N= 1/у, т. е. с уменьшением коэффициента заполнения у, происходит расширение спектра; на д о л ю первой гармоники приходится все меньшее и меньшее (по мере роста N) количество энергии; м о д у л я ц и я становится импульсной. ФШ
Рис. 50. Образование частотно-модулированного сигнала.
В ряде учебников и монографий м о ж н о найти самые р а з н о о б р а з н ы е виды спектрального р а з л о ж е н и я модул и р о в а н н ы х сигналов при различных видах модуляции [14, 52, 54]. Р а с с м о т р и м спектр сигнала, получающийся при частотной модуляции ( Ч М ) , т. е. при изменении частоты несущего колебания по закону х ( 0 - Т а к у ю модуляцию можно получить, например, при использовании модулятора в виде радиально-звездного растра, по которому перемещается изображение, причем т р а е к т о р и я этого перемещения и рисунок р а с т р а эксцентричны (рис. 50). В о з м о ж е н и такой случай, когда угловые р а з м е р ы элементов р а с т р а не одинаковы, а меняются по закону х ( 0 - Последовательность импульсов, в о з н и к а ю щ и х посл е растра, попадает на приемник излучения. Электрические сигналы с выхода приемника поступают в электронный тракт, где фильтруется постоянная составляющ а я . Электрическое колебание переменной частоты в о з м о ж н о считать частотно-модулированным. П р и гармоническом х а р а к т е р е х ( 0 , т - е - П Р И x ( f ) = c o s Q f и ю = = c0o+Acdx(O. это колебание м о ж н о з а п и с а т ь в следую11—783
161
щем виде [52]: 11ц м
Uq
Jo ф) COS w0t +
V
(P) c o s (u)„ -j- nQ) t -j-
n=l + 2 (~l)n/«(P)cos(«»0-ftQ)/
,
(6.7)
71=1
где J n ( p ) — б е с с е л е в а функция порядка n аргумента P; P = Am/Q— индекс частотной модуляции. Таким образом, оказывается, что при синусоидальной ЧМ получается теоретически бесконечный спектр; амплитуда п-й составляющей пропорциональна / П ( Р ) . Однако практически ширина спектра Ч М колебания ограничена. Это вытекает из свойства бесселевых функций. Функция 7 „ ( р ) быстро убывает, когда п сравнивается по порядку величины с (5; в дальнейшем при /г>(5 функция / П ( Р ) имеет очень малые значения. Это значит, что амплитуды составляющих спектра ЧМ колебания становятся очень малыми для « > р и ими можно пренебречь. Обычно отбрасывают все составляющие, амплитуды которых не превышают 0,01. Так определяется действительная ширина спектра Ч М колебаний. Пусть п — число спектральных линий в каждой боковой полосе. Интервалы между линиями по ш к а л е частот равны Q. Тогда полная ширина спектра определится к а к 2«Q. При р^>1 можно положить п ^ р и, следовательно, ширина спектра равна 2 / t Q « 2 p Q « 2 A c o , т. е. равна удоенному частотному отклонению. Величину 2Дсо называют полосой качания, так как в процессе модуляции частота может принимать любое мгновенное значение внутри интервала мо±Асо. При достаточно больших значениях индекса модуляции р ширина спектра Ч М колебания в пределе равна 2Аю. Пример спектра ЧМ, заимствованный из [52], приведен на рис. 49,6. Если при помощи таблиц бесселевых функций найти п для любого р, то получится зависимость, изображенная на рис. 51. Асимптотами кривой являются две прямые: п = 1 (при р—>-0) и п = р (при р—>-оо). При малом Р ЧМ переходит практически в AM. Таким образом, ширина спектра при ЧМ всегда больше, чем ширина спектра при AM. При AM ширина спектра модулированного колебания равна удвоенной частоте модулирующей функции (рис. 49,а).
При Ч М с большим индексом р ширина спектра не зависит от спектра модулирующей функции, а определяется полосой качания. Н у ж н о отметить, что в ОЭП (3 обычно не превышает 1,8, т а к к а к при р > 1 , 8 отношение сигнал/шум при использовании Ч М становится меньше, чем при AM [9]. Почти не используется в ОЭП непрерывная фазовая Рис. 51. Зависимость п от (5 модуляция, при которой мопри ЧМ. дулируется ф а з а колебания, т. е. Отметим лишь, что при синусоидальной модуляции х ( / ) = s i n Ш фазомодулированное колебание б^дет иметь следующий вид: Мфм = мосоз (шо^+Дгр sin Ш ) .
(6.8)
К а к и для частотной модуляции, ширина боковой полосы определяется произведением индекса на модулирующую частоту, следовательно, полная ширина спектра ФМ колебания равна 2Дфй. Она зависит от модулирующей частоты, и в этом состоит различие спектров ФМ и ЧМ. Число спектральных линий остается при изменении модулирующей частоты неизменным, но интервал между ними (равный Q) изменяется, поэтому изменяется и общая ширина спектра. 6.3. ДЕМОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛА В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОМ ПРИБОРЕ
Процесс выделения управляющего сигнала из сигнала, подвергнутого модуляции, называется демодуляцией. Модулирующий управляющий сигнал, который изменяется в соответствии с параметром сигнала, несущим полезную информацию, содержится в неявном виде в том сигнале, который имеет место на выходе модулятора. В результате демодуляции, т. е. после соответствующей обработки промодулированного сигнала, закон, по которому менялась амплитуда, фаза, частота, поляризация первообразного сигнала — переносчика информации, например лучистого потока, восстанавливается. И*
163
Физическая сущность у п р а в л я ю щ е г о сигнала и сигнала, полученного после модуляции, могут быть различными, но закон их изменения — одинаковым. Н а п р и м е р , в рассмотренном в н а ч а л е § 6.1 примере (рис. 48) у п р а в л я ю щий сигнал с о з д а в а л с я при механическом перемещении излучателя, а сигнал после демодуляции я в л я л с я электрическим. Часто демодуляцию называют детектированием. В д а л ь н е й ш е м будем пользоваться равнозначно обоими терминами. Д е м о д у л я ц и и может быть подвергнуто колебание, у которого п р о м о д у л и р о в а н а амплитуда, частота, ф а з а . В зависимости от воспроизводимого при демодуляции п а р а м е т р а р а з л и ч а ю т амплитудное, частотное, фазовое детектирование. Д е м о д у л я ц и я сигналов осуществляется при помощи избирательной цепи в линейных и нелинейных звеньях электронного т р а к т а с выделением нужной части спектра сигнала. Эти цепи принято н а з ы в а т ь линейными и к в а д р а т и ч н ы м и детекторами. П е р в о е н а з в а н и е условно, т а к к а к по своей сути д е м о д у л я ц и я — нелинейный процесс. А м п л и т у д а сигнала на выходе д е м о д у л я т о р а при линейном детектировании пропорциональна абсолютной величине входного сигнала, а при к в а д р а т и ч н о м — квадрату этой величины. Р а с с м о т р и м простейший случай д е м о д у л я ц и и амплитудно-модулированного сигнала линейным детектором. Пусть сигнал несущей частоты ш модулируется по закону 1 + / n sin где т — глубина модуляции. Н а входе детектора имеем колебание х = (1 + т sin сомО s i n
(6.9)
Н а выходе линейного детектора с коэффициентом передачи к д имеем у=кя\х\
=KA(l
+ msincD M 0 | s i n c o / | .
(6.10)
Р а з л а г а я функцию j sin со/1 в р я д Фурье и подставляя это р а з л о ж е н и е в (6.10), получаем у — — к д < (1 -j- т sin wj)
4k2
—:
cos 2ktot -
k=\
sin (2£ш-(-a>M) * — s i n (2feo — (oM) / j .
(6.11)
П е р в ы й член в фигурных с к о б к а х описывает ту модулир у ю щ у ю функцию, которую д о л ж е н выделить детектор. П р о п у с к а я сигнал (6.11) через низкочастотный фильтр, на выходе получаем г/вых=кд(2/я) (l+msin
(6.12)
При квадратичном детектировании у = к д х 2 = ( 1 4 - т sin <ejy sin 2 Ы — (к д /2) [1 -j- т г / 2 2
+
г
+ 2 т sin co„f — ( т / 2 ) cos 2o>„* — (1 + т / 2 ) cos 2 со/ — — т sin (2о> — т м ) t -j- т sin (2ш 4 т г c o s 2 (со —
тм) t ®м) t].
(6.13)
В этом с и г н а л е с о д е р ж а т с я две б л и з к и е низкочастотные гармоники с ч а с т о т а м и сом и 2ш м . Ф и л ь т р а ц и я второй гармоники з а т р у д н и т е л ь н а , и это приводит к нелинейным и с к а ж е н и я м выходного с и г н а л а . К а к следует из (6.13), отношение а м п л и т у д второй и первой г а р м о н и к равно т/А, поэтому чем м е н ь ш е т, тем меньше амплит у д а г а р м о н и к и 2(о м и меньше а м п л и т у д н ы е и с к а ж е н и я . П о этой причине к в а д р а т и ч н о е д е т е к т и р о в а н и е применяется в э л е к т р о н н ы х к а н а л а х О Э П л и ш ь при малой глубине модуляции. К в а д р а т и ч н о е д е т е к т и р о в а н и е используется при демодуляции с и г н а л а , я в л я ю щ е г о с я суммой двух гармонических колебаний с р а з н ы м и ч а с т о т а м и и а м п л и т у д а м и . П р и х—А sin ait+B sin a2t на выходе к в а д р а т и ч н о г о д е т е к т о р а имеем у — к д (А2 sin 2 io,t -j- S 2 sin 2 w2t -j- 2AB sin со,/ sin w2i) = = к д [Л2 -j- В 2 — Л2 cos 2 w j — В 2 cos 2a^t — — AB cos (ш, -f - (o2) t + AB cos (ш, — <в2) /].
(6.14)
П р и использовании низкочастотного ф и л ь т р а с полосой пропускания, з н а ч и т е л ь н о меньшей частот coi и (0г> в о з м о ж н о в ы д е л и т ь сигнал г/вых = ЛВк д С05 (mi—со 2 )t.
(6.15)
Е с л и (Oi — н е с у щ а я частота, а сог — частота вспомогательного с и г н а л а , с о з д а в а е м о г о опорным генератором (гетеродином), то при их синхронности, т. е. при (0i = a)2, и синфазности выходной сигнал линейно с в я з а н с входным. При сдвиге ф а з на Дер м е ж д у входным сигналом и опорным выходной сигнал пропорционален соэДф. Этот 165
случай демодуляции с использованием синхронного опорного сигнала называется синхронным детектированием. Не рассматривая более сложных случаев демодуляции и, в частности, частотное и фазовое детектирование, отметим лишь, что в этих случаях обычно используется избирательная линейная система, преобразующая частотную или фазовую модуляцию в амплитудную. Детектирование сигнала может осуществляться не только в выходных к а с к а д а х электронного тракта, т. е. после усиления и фильтрации электрического сигнала, но и при приеме оптического сигнала — в модуляторе или в фотоприемнике. Такое детектирование используется в фазовых светодальномерах со сверхвысокочастотной модуляцией излучения [1]. При использовании электронного модулятора демодуляция сигнала, прошедшего измеряемую трассу и возвратившегося в приемную систему, может быть осуществлена путем измерения разности ф а з между этим сигналом и сигналом, управляющим модулятором. Совмещение модулятора и детектора в одном элементе упрощает конструкцию и уменьшает систематические ошибки измерений. Однако этому способу свойственны и существленные недостатки, например, трудность точной индикации разности фаз, влияние паразитных отражений от граней кристалла модулятора. Иногда при этом методе используется коммутатор фазы модуляции, вводимый в оптическую систему после модулятора. Он представляет собой, например, кристалл, свет в котором, как и в модуляторе, распространяется вдоль оси г, а оси х и у развернуты относительно осей х и у кристалла модулятора на 45°. При подаче переменного напряжения на коммутатор в составе оптического сигнала на выходе системы «модулятор — коммутатор — анализатор поляризованного излучения» появляется переменная составл я ю щ а я с частотой коммутации. Последние годы внимание разработчиков геодезических ОЭП привлек метод фазового детектирования в фотоприемнике. Наиболее перспективным является здесь гетеродинный фотоприемник, когда для добавочной модуляции сигнала в виде потоков электронов, эмиттируемых катодом ФЭУ, используется внешнее модулирующее поле. Более подробно этот метод рассмотрен в § 9.3.
6.4. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ МОДУЛЯЦИИ
П р о ц е с с модуляции в О Э П з а к л ю ч а е т с я обычно в изменении амплитуды потока по закону модулирующей функции. П о э т о м у при энергетических расчетах О Э П (при расчетах сигналов и шумов) необходимо учит ы в а т ь н е и з б е ж н ы е при модуляции потери энергии. Определим потери мощности сигнала с амплитудой Ф 0 при его модуляции. П о с к о л ь к у при модуляции прерыванием теряется часть мощности, пропорциональная той части периода модуляции Т, когда поток не проходит полностью к приемнику, средняя мощность или число квантов излучения, п р и х о д я щ и х на чувствительный слой за один период, у м е н ь ш а е т с я в Kt раз, причем т
К, =
о ф,
Числитель этого в ы р а ж е н и я определяет эффективное число квантов (эффективное значение потока, среднюю мощность излучения), которое и в ы з ы в а е т в приемнике ток, т. е. выходной электрический сигнал. В зависимости от способа обработки сигнала в электронной схеме от электрического сигнала, пропорционального К1Ф0, будет использоваться та или иная его доля. Эту д о л ю условимся о б о з н а ч а т ь к а к Кг. Коэффициент к 2 д о л ж е н учитывать, во-первых, тот факт, что , обычно используется не амплитудное значение электрического сигнала, а эффективное, и, во-вторых, то, что в электронной схеме в о з м о ж н о изменение спектра этого сигнала с использованием л и ш ь части его. Произведение k m = k i k 2 м о ж н о н а з в а т ь коэффициентом полезного действия модуляции, поскольку к м и определяет д о л ю полезной, используемой в приборе мощности по отношению к мощности немодулированного сигнала. Р а с с м о т р и м простые, но часто встречающиеся на практике примеры. Пусть в результате модуляции прерыванием потока о б р а з у е т с я н е п р е р ы в н а я последовательность синусоидальных импульсов. В этом случае легко найти, что K i = 0 , 5 . То ж е значение к 1 = 0 , 5 имеет место и д л я последовательности прямоугольных импульсов с у = 0 , 5 .
Если в дальнейшей схеме не происходит изменения спектра сигнала, т. е. используется эффективное значение последовательности электрических импульсов, образующихся на выходе приемника, то в этом случае К2=0,707. ( Д л я других значений коэффициента заполнения у эффективное, или действующее, или среднее квадратическое за период, значение импульсного периодического сигнала составит У у.) Таким образом, при такой импульсной модуляции в образовании полезного сигнала участвует 35,4% (к м = к 1 к2=0,354) от немодулированного потока Фо. Пусть теперь в приборе осуществляется модуляция с помощью вращающегося диска, у которого одна половина полностью непрозрачна, а вторая разделена на равные прозрачные и непрозрачные секторы. Если с некоторым вполне допустимым д л я практики приближением считать, что в этом случае происходит двойная амплитудная модуляция, описываемая функцией вида Ф ( 0 = Ф о ( 1 + s i n Q/) sin at/2, а в детекторе электронного тракта происходит выделение напряжений или токов частоты управления £2, на которой переносится полезная информация, то амплитуда сигнала этой частоты па выходе линейного детектора будет пропорциональна 2Ф 0 /я, (см. § 6.3), а ее эффективное значение составит 0,707 Ф о - 2 / я , т. е. в этом случае к 2 = 0 , 7 0 7 - 2 / л = 0 , 4 5 . Д л я этого случая Kj равно 0,25 (действительно, за время, составляющее в общей сложности 3/4 • периода модуляции, кванты излучения не попадают на приемник, т. е. средняя за период мощность составляет О,25Ф 0 ). Таким образом KM=KiK2««0,115. Б л и з к о е к этому значение (к м = 0,1225) было получено Т. Бэттвейлером [9], который предложил определять к. п. д. модуляции как частное от деления отношения эффективных напряжений сигнал/шум после модуляции на отношение эффективных напряжений сигнал/шум д л я постоянного тока, имеющее место без прерывания излучения на несущей частоте. Если принять, что спектральные плотности шума как при модуляции, т а к и без нее одинаковы и отношение мощностей сигнала и шума без модуляции равно единице, то значения к м , определяемые для амплитуд сигналов, практически совпадают со значениями, определяемыми для отношений сигнал/шум. Т. Бэттвейлером были получены следующие значения к м : 168
— для последовательности синусоидальных импульсов, промодулированных прямоугольной функцией, км=0,16; — для последовательности прямоугольных импульсов, промодулированных синусоидальной функцией, к м = = 0,16; — для последовательности прямоугольных импульсов, промодулированных прямоугольной функцией, к м — = 0,2;
— для последовательности частотно-модулированных прямоугольных импульсов при индексе модуляции р = =А(о/ £2=1,8 к м = 0 , 3 7 ; — д л я последовательности частотно-модулированных синусоидальных импульсов при р = 1 , 8 к м = 0 , 2 9 . 6.5. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ НЕКОТОРЫХ МОДУЛЯТОРОВ ЛУЧИСТОГО ПОТОКА
Устройства, с помощью которых осуществляется модуляция лучистого потока, называются модуляторами. Выбор типа модулятора и способа модуляции зависит от требований к сигналу, поступающему в электронную систему, от требований к способу анализа изображений, от требований к стабильности, сроку службы самого модулятора. Д л я модуляторов, используемых в геодезических ОЭП, основными требованиями являются высокая стабильность при изменении внешних условий (температуры о к р у ж а ю щ е й среды, влажности, давления и т. п.), малые потери потока, максимальная глубина модуляции, широкий диапазон частот модуляции, а в ряде случаев — возможность плавной и дискретной перестройки частоты. Учитывая, что большинство геодезических приборов являются полевыми, очень важно, чтобы модулятор потреблял небольшую мощность, был прост и надежен в эксплуатации. Модуляторы можно разделить на две большие группы. В первой из них осуществляется внутренняя модуляция, т. е. модулирующее воздействие оказывается непосредственно на источник излучения. Ко второй группе относятся системы с внешней модуляцией, осуществляемой после выхода потока из источника. В ряде случаев модуляция в оптико-электронной системе осуществляется непосредственно в источнике из-
лучения. П и т а я источник (лампу накаливания, газоразрядную лампу, ОКГ) переменным током, можно изменять амплитуду лучистого потока во времени. Очевидно, что д л я достижения больших частот модуляции необходимо использовать малоинерционный источник. Поэтому в большинстве случаев на практике не удается использовать мощные некогерентные источники, о б л а д а ю щ и е либо значительной инерционностью сравнительно большого тела н а к а л а , либо большой инерционностью блока питания для работы в таком режиме. Невелика здесь глубина модуляции, особенно с учетом ее уменьшения по мере роста частоты модуляции. Так, например, на частоте модуляции 100 Гц глубина модуляции д а ж е у маломощных л а м п накаливания не превышает 20%. Некоторые типы газоразрядных л а м п позволяют достичь глубины модуляции в 60—70% д л я частот несколько килогерц, но мощность их невелика, а блоки питания сложны. Гораздо более перспективной является модуляция излучения полупроводниковых рекомбинационных излучателей. Д л я серийно выпускаемых излучателей типа УЛ-2 и УЛ-3 граничная частота, при которой обеспечивается глубина модуляции в 50%, л е ж и т в диапазоне 1—1,5 ГГц. Мощность питания при этом составляет менее 1 Вт. Полупроводниковые излучатели-модуляторы, обладающие малыми габаритами и массой, потребляющие малую мощность, являются весьма перспективными для использования в геодезических светодальномерах, работающих на небольших расстояниях. Значительного повышения частот модуляции при большой глубине модуляции удается достичь при использовании ОКГ. Модуляцию излучения О К Г можно осуществить, изменяя мощность накачки. Верхний предел частоты определяется при этом конструкцией электронного блока накачки. П о м е щ а я амплитудный модулятор, например электрооптический затвор, внутрь резонатора ОКГ, можно управлять его добротностью и достигнуть таким образом амплитудной модуляции излучения генератора. Внутрирезонаторная модуляция может быть осуществлена т а к ж е вводом в резонатор электрооптического элемента. При подаче на него напряжения возникает двулучепреломление, и составляющая потока с неосновной поляризацией выводится из резонато-
pa через окно Брюстера или какой-либо другой элемент. Еще одним способом внутренней модуляции излучения О К Г является смещение полосы поглощения в некоторых кристаллах, помещаемых внутрь резонатора, следствием чего является изменение показателя их преломления (эффект Франца — К е л д ы ш а ) . Можно использовать изменение спектра излучения ОКГ, происходящее при изменении длины резонатора. Если концевые зеркала резонатора заставить колебаться, помещая их, например, на магнитострикционные подложки, то будет иметь место частотная модуляция, т. е. изменение спектра ОКГ. Предельные частоты, достигаемые при этом, составляют десятки мегагерц. Однако внесение дополнительных элементов в ОКГ усложняет их конструкцию, увеличивает оптические потери излучения. Кроме того, при работе газоразрядных ламп и О К Г в импульсном режиме весьма невелика мощность, переносимая на частоте модуляции, поскольку длительность импульсов составляет очень малую долю от периода их повторения. Следует отметить т а к ж е нелинейную в общем случае зависимость между напряжением питания источника и амплитудой лучистого потока, что иногда создает дополнительные трудности. Очень распространены внешние модуляторы, изменяющие параметры потока на пути от источника к приемнику. К их числу относятся хорошо известные механические модуляторы, периодически прерывающие поток с помощью растра или д и а ф р а г м ы определенной формы (диска или цилиндра с прорезями, заслонки, помещаемой на валы электро- или пневмодвигателей, на подвижные контакты реле и т. д.). При их использовании можно получить частоты модуляции порядка сотен килогерц, что, впрочем, иногда сопряжено с трудностями, связанными, например, с необходимостью иметь двигатель с очень большим числом оборотов и высококачественную оптическую систему, формирующую пучок малого сечения в плоскости растра модулятора. Кроме того, трудно обеспечить стабильность частоты модуляции при ее увеличении. Другими недостатками механических модуляторов являются сравнительно небольшой срок службы моторов, реле и прочих электромеханических элементов, значительные габариты и масса. Несмотря на это, достоинства таких модуляторов, заключающиеся в их конструктивной простоте, возможно-
сти изменения или регулировки ряда параметров (например, путем изменения формы и размеров прозрачных и непрозрачных участков можно изменять форму и частоту модулируемых импульсов) привели к их широкому распространению. Примеры расчета некоторых параметров конструкции таких модуляторов приведены в [57]. Поскольку электронные звенья стремятся настраивать на какую-то узкую полосу частот, желательно, чтобы вся энергия сигнала была сосредоточена в этой полосе. Ч а щ е всего в эту полосу пропускается лишь перв а я гармоника сигнала. Количество энергии, приходящееся на первую гармонику, зависит от соотношения между р а з м е р а м и прозрачной и непрозрачной частей растра модулятора, а т а к ж е от соотношения между периодом растра и размером изображения источника в плоскости модуляции. Близкой к оптимальной является конструкция, когда ширина прозрачной части периода растра равна ширине непрозрачной части и равна диаметру сечения пучка. При этом на первую гармонику приходится около 80% мощности переменного сигнала. Большую группу модуляторов, устанавливаемых на пути от источника до приемника излучения, составляют электрооптические и магнитооптические модуляторы. В них используется эффект двулучепреломления в некоторых кристаллах и жидкостях при воздействии электрического или магнитного поля. В качестве примера рассмотрим модулятор с жидкостной ячейкой Керра. Р а б о т а его основана на квадратичном электрооптическом эффекте Керра. Схема такого модулятора приведена на рис. 52. Поток от, осветителя собирается между обкладками ячейки (конденсатора) Керра (КК), помещенными в жидкость, о б л а д а ю щ у ю свойством двойного лучепреломления. М е ж д у осветителем и ячейкой Керра расположен поляризатор ( П ) , причем плоскость его поляризации расположена под углом 45° к силовым линиям электрического поля, возникающего при подаче напряжения на пластины ячейки Керра. З а ячейкой Керра расположен анализатор (А), плоскость поляризации которого находится под углом 90° относительно плоскости поляризации поляризатора. В отсутствие напряжения на пластинах ячейки Керра происходит полное гашение потока, т. е. поток не проходит через такую систему.
При подаче напряжения на ячейку Керра линейнополяризованное излучение, входящее в него, на зыходе трансформируется в эллиптически-поляризованное. Через анализатор пройдет только та составляющая потока, вектор поляризации которой совпадает с плоскостью его поляризации. При изменении напряжения на пластинах меняется эксцентриситет эллипса поляризации (соотношение между модулями векторов поляризации обыкновенного и необыкновенного лучей, угол между которыми составляет 90°). Интенсивность прошедшего излучения /=0,5/отВ/(н/^)2,
Рис. 52. Схема модулятора с ячейкой Керра.
где /о — интенсивность при входе в поляризатор; т — пропускание всего модулятора; В — постоянная Керра; I — длина пути излучения между пластинами; и — напряжение на пластинах ячейки Керра; d — расстояние м е ж д у пластинами. Наиболее часто в качестве наполнителя используется нитробензол, обладающий неплохим пропусканием в области от 0,4 до 2,1 мкм. Однако потери в поляризаторе (свыше 5 0 % ) , потери на отражение и другие потери приводят к тому, что общее пропускание такого модулятора обычно не превосходит 15%. Апертура ячейки Керра определяется в основном расстоянием между пластинами и их конфигурацией, ее предельное значение составляет 1 : 4 при е?= 1—2 мм. Д л я создания большой глубины модуляции приходится прикладывать к пластинам большие напряжения (до десятков киловольт), что усложняет блок питания модулятора, увеличивает потребляемую им мощность до десятков и д а ж е сотен ватт.
Д л я модуляции потока используется т а к ж е линейный электрооптический эффект — эффект Поккельса, который заметно проявляется в кристаллах A D P (первичный кислый фосфат аммония) в K.DP (первичный кислый фосфат к а л и я ) , ниобата и т а н т а л а т а лития, а такж е в кристаллах кварца. При этом благодаря линейной зависимости интенсивности прошедшего через модулятор излучения от напряжения, приложенного к кристаллу, здесь необходимы меньшие у п р а в л я ю щ и е напряжения. Модуляторы на кристаллах A D P и K D P размерами не более 1 0 x 3 0 x 3 0 мм позволяют достичь частот модуляции от 0 до 104 М Г ц при ее глубине около 9 0 % . Пропускание A D P и K D P в диапазоне 0,15—1,25 мкм составляет от 10 до 30%; апертуры составляют 1—2°. К а к и у ячейки Керра, срок службы зависит от нагрева кристалла; разрушение кристаллов A D P и K D P происходит при ^ 1 0 0 ° С . П о т р е б л я е м а я мощность составляет десятки, а иногда и сотни ватт при напряжении питания в несколько киловольт. Модуляторы на кварце потребляют меньшие мощности (несколько ватт), имеют больший диапазон пропускания (до 4 м к м ) , но работают только на фиксированных частотах в диапазоне от 4 до 10 МГц. Среди материалов для магнитооптических модуляторов, использующих явление поворота плоскости поляризации при наложении магнитного поля, наиболее распространены монокристаллы железоиттриевого граната. Они используются для модуляции в ближней инфракрасной области спектра (от 1,15 до 4,5 мкм), потребляют сравнительно небольшие мощности, что позволяет выполнять их блоки питания на полупроводниковых элементах. В некоторых кристаллах и жидкостях показатель преломления изменяется при механической деформации. Этот эффект называется фотоупругостыо. Он может быть использован для отклонения лучей, проходящих через такое вещество, и создания на этой основе модулятора. Аналогично могут быть использованы пьезоэлектрический эффект, когда изменения показателя преломления возникают из-за механической деформации, происходящей в результате приложения к образцам из некоторых материалов электрического поля, а т а к ж е акустооптический эффект, состоящий в том, что при прохождении ультразвуковых колебаний в материале, из которого
изготовлен модулятор, появляются зоны с повышенными механическими напряжениями, где меняется показатель преломления. К настоящему времени создано большое количество модуляторов, основанных и на других физических явлениях (интерференционные и дифракционные модуляторы, модуляторы, основанные на нарушении оптического окнтакта — явлении полного внутреннего отражения, модуляторы, использующие изменение поглощения в полупроводнике при изменении концентрации свободных носителей в нем и многие другие). Однако большинство из них практически не вышло из стадии лабораторных или опытных образцов и не находит широкого промышленного применения. Описание механизма их работы и некоторые данные конструкции можно найти в литературе, например [28, 33, 53]. Внешние методы модуляции в настоящее время наиболее освоены и наиболее широко применяются на практике. К их преимуществам относятся сравнительная простота конструкции модулятора, а т а к ж е возможность совмещения функций модулятора и детектора в одном элементе.
7. СКАНИРОВАНИЕ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ 7.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СКАНИРОВАНИИ Во многих оптико-электронных системах необходимо производить поиск излучателя или наблюдать за ним в большом поле обзора. В то же время использование оптической системы с большим полем зрения часто невыгодно или невозможно по ряду причин, к важнейшим из которых относятся: трудность выделения малоразмерного объекта на фоне внешних излучающих помех, сложность создания широкопольной оптической системы с хорошим качеством изображения, увеличение размера приемника излучения. Можно показать, что оптимальным размером поля зрения объектива приемной системы оптико-электронного прибора является такой, в котором помещается лишь изображение наблюдаемого объекта и не проходят изображения помех и фона. Однако, учитывая, что практически такого случая быть не может, так как, например, изображение объекта может быть нестабильным по форме и размерам, а также тот факт, что в большинстве случаев применения ОЭП исследуемые или контролируемые излучатели имеют малые видимые размеры, обычно стремятся лишь
к уменьшению поля зрения оптической системы, не усложняя его конфигурацию в соответствии с конфигурацией излучателя-цели, а добиваясь лишь полного пропускания потока от него. При этом очень часто возникает вопрос, как совместить достоинства узкополыюй системы в отношении ее помехозащищенности с требованиями иметь большое поле зрения, необходимое, например для того, чтобы определить наличие и расположение объекта. Это, как и ряд других эксплуатационных требований, привело к созданию систем, в которых мгновенное узкое поле зрения просматривает гораздо более широкое поле обзора. Устройства, позволяющие производить анализ исследуемого пространства путем последовательного его просмотра, называются сканирующими системами. Оптическое сканирование заключается в том, что с целью получения электрического сигнала, мгновенные значения которого пропорциональны значениям исследуемого параметра поля (яркость, температура), производится последовательный просмотр поля или его изображения. Как следует из этого определения, сканирующие системы могут включать в себя и оптическую систему, создающую изображение, и приемник излучения, создающий электрический сигнал. Поэтому иногда под термином «оптическая сканирующая система» понимают весь ОЭП, служащий задаче анализа поля зрения. Этому способствует тот факт, что в некоторых приборах сканирование производится путем управления каким-либо параметром оптической системы или приемника, т. е. без ввода дополнительных узлов. Примеры подобного рода систем будут приведены ниже. Однако это не всегда является правильным, так как в большинстве случаев ОЭП может выполнять свои функции и без ввода специальных сканирующих узлов, и лишь необходимость просмотра узким полем зрения такого прибора широкого поля обзора приводит к использованию принципа сканирования. Сканирование может осуществляться как в пространстве объектов, так и в пространстве изображений. Примером первого случая может служить узкопольная система, помещенная на подвижное основание, перемещающее ее так, чтобы в поле зрения объектива последовательно попадало излучение от различных участков поля обзора. Во втором случае может производиться последовательный просмотр узкой диафрагмой мгновенного поля зрения широкого поля обзора — поля зрения объектива. Иногда в системах второго типа сканирование осуществляется путем деления диафрагмы поля зрения — чувствительного слоя приемника на элементарные участки, например элементы мозаичного приемника излучения, с последовательным или одновременным «опросом» их в электронном тракте. Систематическое изложение вопросов, относящихся к устройству и работе сканирующих систем, подробно дано в работе [25] Г. П. Катысом, который предложил классифицировать оптические сканирующие системы по направлениям их конструктивного развития, а именно: — механические системы, в которых оптический прибор помещается на механическое устройство, изменяющее пространственное положение его оптической оси, — оптико-механические системы, в которых приемник неподвижен и просмотр поля осуществляется с помощью специальных оптико-механических устройств (вращающееся зеркало перед объ-
ективоМ, вращающийся или поступательно перемещающийся оптический клин и многие др.), — фотоэлектронные системы, в которых изображение исследуемого поля проецируется на чувствительную площадку приемника, а затем «просматривается» электронным лучом, управляемым электростатическим или магнитным полем; сюда же можно отнести системы с двумерными мозаичными приемниками. Сканирующие системы можно разделить и по другому признаку: системы, осуществляющие просмотр поля зрения по заранее заданной, неизменной программе (пассивное сканирование), и системы, отыскивающие в процессе сканирования изображения излучателей, отличающихся по тому или иному признаку (яркость, цвет и т. п.) от фона, на котором они находятся. Можно различать также сканирующие устройства, основанные на ряде физико-оптических и электрооптических эффектов, например на явлении отклонения плоскополяризованных лучей, проходящих через кристаллы с двойным лучепреломлением, при приложении к кристаллу напряжения, на явлении изменения показателя преломления в некоторых оптических средах под действием электрического поля и др. В ряде случаев одновременно со сканированием элементы, с помощью которых просматривается поле обзора, осуществляют и анализ изображения, т. е. являются анализаторами. Примером является сканирующая в плоскости изображений щелевая диафрагма, с помощью которой может производиться не только обнаружение излучателя, но и анализ распределения освещенности в его изображении. Очень часто сканирование производится с целью обнаружения излучателя. В таких системах за критерий качества можно принять вероятность обнаружения, которая определяется видом траектории сканирования, соотношением между полем обзора (размером сканируемого пространства) и узким полем зрения сканирующего устройства и рядом других факторов. Траектория, по которой осуществляется сканирование, может быть самой различной (построчная, прямоугольно-спиральная, спиральная, гипоциклоидальная, розеточная и др.). Выбор той или иной траектории сканирования производится исходя из формы анализируемого поля, вероятностей распределения яркости или нахождения источника излучения по зонам этого поля, времени, отводимому на анализ, возможности простого конструктивного осуществления системы. В работе [25] проведено теоретическое и экспериментальное исследование самых различных траекторий сканирования поля при различных формах поля зрения. Далеко не всегда выбирается такая траектория сканирования, при которой происходит просмотр всего поля обзора. Часто в течение одного периода сканирования, т. е. времени, за которое происходит просмотр поля и система возвращается в исходное положение, траектория сканирования заполняет поле обзора с пропусками отдельных зон. Это снижает вероятность обнаружения излучателя в поле обзора, но значительно повышает быстродействие системы, определяемое периодом сканирования (временем кадра) или частотой сканирования / С = 1 / Г с . Период сканирования для простых систем можно ориентировочно вычислить, если известны постоянная времени электронной схемы т э , угловой размер поля обзора р 0 бз, угловой размер элемен12—783
177
t a разрешения Др, который система еще должна разрешить, а также степень заполнения поля обзора этими элементами разрешения (элементами разложения). При сплошном строчном сканировании всего поля, т. е. когда число элементов разрешения определяется как робз/лр, время для сканирования одной строки Г 1 0 выражаетется формулой
Г'с^Робз/ДР+Тв, где т в — время возврата системы в исходное (нулевое) положение. Если вдоль сканируемой строки в плоскости изображения расположен не один, а несколько приемников, например п, то
Г'с^ТэРобэ/лЛР+Тв. Отношение первого слагаемого в правой части последнего выражения, т. е. «активного» времени сканирования, к Г'с, называется иногда коэффициентом сканирования т)с. Этот коэффициент характеризует во многом конструктивное совершенство системы. При условии отсутствия пропусков и перекрытий при взаимном относительном перемещении объектива прибора и сканируемого пространства с угловой скоростью сое вдоль направления сканирования необходимо обеспечить условия, при которых угловая скорость движения оси сканирующего элемента Q c в этом же направлении была бы больше ш с , т. е. О с = « Д Р / т ^ о б з ^ й ) с .
7.2. ОПТИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ СКАНИРУЮЩИЕ СИСТЕМЫ Механические сканирующие системы в силу их сложности и громоздкости, малой частоты сканирования, больших ошибок, возникающих в механических передачах, применяются сейчас сравнительно редко. Гораздо более распространены оптико-механические сканирующие устройства. Рассмотрим некоторые особенности их конструкции. Простейшими сканирующими системами являются устройства, предназначенные для просмотра поля вдоль одной координаты. Иногда в качестве сканирующих элементов таких приборов используются ахроматизированные оптические клинья, вращающиеся перед объективом. Угол отклонения пучка лучей пропорционален косинусу угла поворота клина. Для устранения смещения оси пучка вдоль второй координаты обычно используют не один, а два клина, вращающиеся в противоположных направлениях с одинаковыми скоростями. Такая система не позволяет достичь заметного увеличения поля обзора (без значительного утолщения клина, что приводит к ухудшению качества изображения, а кроме того, здесь очень велики потери энергии из-за большого числа отражающих поверхностей. В системах подобного рода используются те же оптические элементы, что и в компенсаторах (клинья, линзы, плоскопараллельные пластинки, призмы Дове, Пехана и многие др.). Как и у оптических компенсаторов, основными их недостатками являются большая инерционность (хотя и меньшая, чем у механических сканирующих систем, где перемещается не сравнительно небольшая деталь, а весь прибор) и небольшие углы отклонения лучей, т. е. небольшие f506a.
Довольно распространенными элементами оптических сканирующих устройств являются вращающиеся или качающиеся плоские зеркала. Сканирование в двумерном пространстве осуществляется путем колебания зеркала с разными скоростями вокруг осей вращения, лежащих в плоскости зеркала, или вращением зеркала вокруг оси, не лежащей в его плоскости. В зависимости от соотношения между скоростями колебания зеркала меняется вид развертки. Наиболее распространена строчная развертка поля, при которой скорость вращения (колебания) вокруг одной из осей значительно превышает скорость вращения зеркала вокруг второй оси. Иногда требуется, чтобы направление просмотра поля обзора было постоянным для каждой строки. В таком случае часто половина периода колебания зеркала теряется впустую, так как оно в это время возвращается из крайнего положения в исходное, т. е. коэффициент сканирования r| с <0,5. С целью устранения этого недостатка применяется не одно плоское зеркало, а зеркальные барабаны; для относительного сдвига строк сканирования грани барабанов могут быть наклонены под различными углами к оси вращения. В такой системе нужно осуществить вращение только вокруг одной оси, однако при желании иметь достаточно большое число строк развертки необходимо составлять барабан из большого числа граней— зеркал, что увеличивает массу и габариты устройства. Кроме того, необходима тщательная взаимная юстировка этих граней. Наиболее выгодным расположением сканирующего элемента — плоского зеркала является установка его перед объективом системы. В этом случае оно обычно не вносит дополнительных аберраций. Однако при такой установке габариты его могут быть очень большими, что затрудняет достижение частоты сканирования поля свыше нескольких герц (в лучшем случае, нескольких десятков герц). Поэтому колеблющееся плоское зеркало или зеркальный барабан помещают иногда в сходящийся пучок лучей, т. е. после объектива. Габариты зеркала в такой системе можно значительно уменьшить, однако и здесь имеются свои существенные недостатки, основными из которых являются значительная расфокусировка в плоскости изображения, существующая даже при небольших углах прокачки зеркала (2—3°), а также необходимость иметь объектив с увеличенным полем зрения по сравнению с системой, где зеркало находится перед объективом. Наряду с вводом в оптическую схему прибора дополнительных элементов (клина, зеркала) весьма распространенным приемом осуществления сканирования является изменение положения одного из компонентов объектива (децентрировка, наклон относительно оптической оси) с последующим приданием ему пространственного движения по заданному закону. Примерами такого рода систем могут являться сканирующие устройства с децентрированной вращающейся линзой, с зеркалом, расположенным несимметрично относительно оси его вращения, наконец, зеркальный объектив, один из компонентов которого наклонен к оптической оси и вращается вокруг нее. Заметные преимущества при оптико-механическом сканировании дает применение многоэлементных приемников излучения. Если использовать несколько приемников, расположенных на одной линии (линейка), то можно применить одномерное сканирование, т. е. перемещать оптическую ссь системы лишь в одном направлении — перпендикулярно линейке. Однако упрощение механических 12*
179
узлов в этом случае сопровождается усложнением электронной схемы, в которой появляются дополнительные усилители и переключающие или коммутирующие элементы. Оценивая всю группу оптико-механических сканирующих систем, следует к их достоинствам отнести простоту конструкции, широкий спектральный диапазон работы, определяемый материалами оптических деталей и приемником. Как уже отмечалось, основными их недостатками являются сравнительно большая инерционность и небольшой диапазон р 0 бз, что приводит к уменьшению г|0. К фотоэлектронным сканирующим устройствам относятся рассмотренные в § 5.11 передающие телевизионные трубки и их твердотельные полупроводниковые аналоги. Для них характерно высокое быстродействие, достаточно высокие разрешающая способность и чувствительность. При электронном сканировании можно сравнительно просто создавать самые различные траектории развертки поля обзора, а также следить одновременно за несколькими объектами. Разложение поля обзора на элементы может быть осуществлено и без сканирования, путем использования многоэлементного, мозаичного, приемника излучения. Известны опытные образцы приборов, в которых кремниевая мозаика площадью 6 см 2 состоит из 40 тыс. элементов [46]. Разрешение такой сканирующей системы составляет около 8 лин-мм - 1 . Разрабатываются твердотельные видиконы, координатные матрицы из фотодиодов и фототриодов. Уже получены двумерные матрицы площадью 13X13 мм2 с размещением на ней 10 тыс. фототранзисторов с шагом в 125 мкм по каждой из осей координат. Технология мозаичных приемников и матриц сложна и еще недостаточно отработана, однако очевидно, что будущее за ними. В последнее время больше внимание уделяется также разработке полупроводниковых сканирующих (развертывающих) устройств, которым свойственны малые габариты, большая надежность, чем у электровакуумных телевизионных трубок, большой срок службы, малые напряжения и мощности питания. На практике широко применяются сканисторы различных типов {391, фотоприемники с радиально-тянущим полем [22] и ряд др. Однако пока диапазон их спектральной чувствительности невелик — видимая и ближняя инфракрасная область спектра. Размеры чувствительного слоя у них ограничены, а разрешающая способность мала. Так, размеры известных сканисторов не превышают нескольких сантиметров, а разрешение характеризуется десятками и сотнями микрометров [39]. Недостатками фотоэлектронных сканирующих систем являются: все еще большая сложность телевизионных трубок, трудность изготовления многоэлементных приемников, сложность электронных схем, ограниченный спектральный диапазон, недостаточная в ряде случаев чувствительность диссектооов и слишком большая инерционность трубок с накоплением. Нужно отметить, что параметры и характеристики передающих телевизионных трубок зависят от очень многих эксплуатационных факторов (например, напряжений на -фокусирующих и отклоняющих электродах, аноде, в цепи электронной пушки и др.). Нестабильность даже одного из этих параметров может заметно изменить параметры трубки. Поэтому при точных измерениях приходится заметно усложнять схемы телевизионных сканирующих систем, что уменьшает их надежность.
Часто пространственное разрешение фотоэлектронных сканирующих систем недостаточно. Оптические системы, работающие в составе фотоэлектронных сканирующих систем, должны иметь широкое поле зрения, совпадающее с полем обзора системы. Это усложняет их конструкцию по сравнению с механическими и оптико-механическими сканирующими устройствами при равных требованиях к качеству изображения.
8. ЭЛЕКТРОННЫЙ КАНАЛ ТИПОВОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА 8.1. СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОННОГО КАНАЛА ТИПОВОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА
Электронный канал О Э П предназначается для усиления электрического сигнала, поступающего с приемника излучения, фильтрации его от помех и шумов и преобразования к виду, удобному для индикации, измерения, обработки на ЭВМ или управления следящей системой. Электрический сигнал на выходе приемника часто очень мал, поэтому его нужно усилить до значений, которые можно использовать в измерительном устройстве. Этой цели служит электронный усилитель, который должен о б л а д а т ь высокой пороговой чувствительностью, сравнимой с уровнем шумов приемника. Собственные шумы усилителя должны быть сведены к минимуму, с тем чтобы усилитель не ухудшал отношение сигнал/шум, полученное на его входе. Электронный канал не должен и с к а ж а т ь полезные параметры сигнала, несущие информацию о наблюдаемом объекте. С его помощью происходит фильтрация сигнала от помех и выделение этих параметров. Наиболее распространенными средствами кодирования полезного сигнала и его фильтрации являются, к а к указывалось в гл. 6, модуляция и демодуляция (детектирование) сигнала. Фильтрация модулированного сигнала и детектирование осуществляются обычно в электронном к а н а л е ОЭП. Д л я фильтрации электрического сигнала применяются электронные фильтры, пропускающие только те гармоники сигнала, на которых переносится полез-
ная информация. .При детектировании используются низкочастотные фильтры. После детектирования электрический сигнал, несущий в одном из своих параметров полезную информацию (например, информацию о координатах излучателя), может быть дополнительно усилен и подан на индикатор или на исполнительный элемент. В том случае, когда информация поступает на вход цифровой вычислительной машины, обычно производится преобразование аналоговой формы сигнала в цифровую. Это объясняется тем, что вредное влияние шумов, помех, дрейфа, старения и т. п. факторов гораздо слабее сказывается на сигнале, представленном в цифровой форме, а не в аналоговой. В то ж е время слишком малые сигналы, образующиеся на выходе приемника излучения ОЭП, невозможно сразу ж е преобразовать в цифровую форму. Поэтому и в этом случае сигнал предварительно усиливается, затем поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и, наконец, в вычислительную машину. 8.2. СОГЛАСОВАНИЕ ПРИЕМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ С ЭЛЕКТРОННЫМИ ЗВЕНЬЯМИ
Рассмотрим некоторые вопросы согласования параметров приемника и параметров следующей за ним электронной системы. Особенности схем включения приемников рассмотрены в ряде монографий, например [41, 50]. Выше приводились примеры таких схем для рассмотренных типов приемников. К а ж д а я из них специфична из-за различной физической природы приемников, однако можно найти и ряд общих признаков для всех этих схем. Особое внимание вопросам рационального согласования приемника и последующей электронной системы (чаще всего это усилитель) следует уделять при работе с малыми сигналами. В этих случаях обычно требуется, чтобы электронная система по крайней мере не ухудшила то соотношение сигнал/шум, которое имеет место на ее входе, т. е. на выходе приемника. Иногда в техническом задании на усилитель содержится требование, чтобы его шум, приведенный ко входу, был в определенное число р а з меньше уровня собственных шумов при182
емника. Т а к о е т р е б о в а н и е о б ъ я с н я е т с я тем, что при современной технологии изготовления приемников трудно конструктивными м е р а м и у м е н ь ш и т ь уровень их шумов. В то ж е в р е м я применить противошумовую к о р р е к ц и ю в электронной системе (в усилителе) г о р а з д о проще. Н е о б х о д и м о т а к ж е с о г л а с о в а н и е и других п а р а м е т р о в , в первую очередь, полос пропускания, частот модуляции, постоянных времени п р и е м н и к а и всего прибора, сопротивления п р и е м н и к а и входного сопротивления электронной системы, р е ж и м а п и т а н и я п р и е м н и к а и его вольтовых х а р а к т е р и с т и к . В § 5.3 говорилось о х а р а к т е р е спектра мощности ш у м а приемника, который обычно у м е н ь ш а е т с я с ростом частоты. П о э т о м у ц е л е с о о б р а з н о в ы б и р а т ь м а к с и м а л ь н о в о з м о ж н у ю частоту м о д у л я ц и и и к а к м о ж н о более у з к у ю полосу п р о п у с к а н и я частот. Обычно верхний предел частоты м о д у л я ц и и о г р а н и ч и в а е т с я инерционностью приемника, о д н а к о иногда постоянная времени электронной системы б о л ь ш е постоянной времени приемника, и именно она о п р е д е л я е т предел увеличения частоты модуляции. П р и в е д е н н ы е в гл. 5 с о о б р а ж е н и я по в к л ю ч е н и ю различных типов приемников в э л е к т р и ч е с к у ю цепь показывают, что с точки з р е н и я н а и л у ч ш е й отдачи мощности из цепи п р и е м н и к а в цепь у с и л и т е л я необходимо согласовать сопротивление п р и е м н и к а и входное сопротивление у с и л и т е л я . В зависимости от типа п р и е м н и к а его с о г л а с о в а н и е м о ж е т производиться с помощью катодного повторителя (высокоомные п р и е м н и к и ) , с помощью т р а н с ф о р м а т о р н о г о входа (низкоомные приемники) и, наконец, с п о м о щ ь ю обычной 7?С-цепи. П р и усилении м а л ы х сигналов с в ы х о д а высокоомных фотоэмиссионных приемников (фотоэлементов и фот о у м н о ж и т е л е й ) обычно в ы б и р а е т с я большое сопротивление н а г р у з к и R H , предел которого о г р а н и ч и в а е т с я допустимым входным сопротивлением (сопротивлением утечки) первого к а с к а д а , а т а к ж е частотой усиливаемого сигнала, т а к к а к постоянная времени цепи включения п р и е м н и к а о п р е д е л я е т с я к а к r—RaCBX, где С в х — в х о д н а я емкость усилителя. Д л я определения о п т и м а л ь н ы х входных п а р а м е т р о в цепи включения фоторезистора м о ж н о составить р а з в е р нутое в ы р а ж е н и е д л я мощности, в ы д е л я е м о й на сопротивлении н а г р у з к и /?„, в виде функции от п а р а м е т р о в
схемы и найти из него оптимальное соотношение между R a и сопротивлением фоторезистора Rф. В литературе [41, 43] показано, что оптимум находится при т. е. Rn целесообразно выбирать равным сопротивлению фоторезистора при его облученности в рабочих условиях. Поскольку эта облученность может меняться в значительных пределах, часто Ru берут равным темновому сопротивлению фоторезистора /?т- При увеличении облученности уменьшается и напряжение сигнала на Ru, нарушается линейность схемы. Если приемник должен работать в линейном режиме, то часто сопротивление нагрузки выбирают в несколько раз больше, чем сопротивление приемника, увеличивая одновременно напряжение питания в цепи приемника [31]. При этом изменение облученности фотослоя меньше сказывается на изменении выходного сигнала. Аналогичный путь определения оптимальных параметров цепи включения рассмотрен в литературе [41, 50] д л я фотодиодов и некоторых других типов приемников излучения. Опыт разработки и исследования схем включения приемников показывает, что оптимальность режима работы всей электронной системы зависит от того, насколько хорошо согласованы условия работы прибора (облученность Е или поток Ф ) , характеристики приемника (энергетическая и фоновая характеристики, по которым определяется Яф по заданному значению Ф) и входной параметр электронного звена (входное сопротивление усилителя, которое определяется главным образом П р и условии такого согласования дальнейший расчет электронной системы может производиться по известным в радиоэлектронике методам с учетом требований, предъявляемых к электронному звену конкретного ОЭП.
8.3. УСИЛЕНИЕ И ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛА В ЭЛЕКТРОННОМ ТРАКТЕ
Ввиду большого разнообразия О Э П требования к усилительному электронному тракту могут быть т а к ж е весьма различными. Можно отметить лишь несколько общих требований, имеющих место при выборе или проектировании усилителя ОЭП. К ним относятся: требование иметь уровень собственных шумов ниже уровня
шумов приемника, требования к стабильности амплитудных, фазовых и частотных характеристик усилителя, требования по оптимальности согласования сопротивления приемника и выходного сопротивления усилителя, необходимость обеспечить заданный динамический диапазон (диапазон изменения выходных сигналов) и ряд др. По виду усиливаемых сигналов наиболее часто различают усилители постоянного тока, предназначенные для усиления немодулированных сигналов, усилители переменного тока, предназначенные для усиления модулированных сигналов со сравнительно узким спектром, и импульсные усилители. Особенности конструкции и расчета этих усилителей рассматриваются в курсах электротехники и радиоэлектроники. Поэтому здесь отметим лишь некоторые специфические особенности усилителей ОЭП. Часто в О Э П приходится усиливать очень малые сигналы. Д л я того чтобы уменьшить вредное влияние электромагнитных помех на кабель (провод), соединяющий приемник излучения с усилителем, один-два каскада усиления, называемые предварительным усилителем (предусилителем), р а з м е щ а ю т в непосредственной близости от приемника. Иногда их объединяют в одном экранирующем корпусе с приемником; в последнее время появились микросхемы предусилителей на полевых транзисторах со встроенным приемником. Минимальный коэффициент усиления предусилителя должен быть около 10, при этом влияние шумов последующих каскадов невелико. Д л я согласования высокого сопротивления приемника с низким входным сопротивлением типовых транзисторных усилителей в качестве первого каскада предусилителя часто используется эмиттерный (катодный) повторитель или каскодное включение транзисторов. П р и этом т а к ж е уменьшается вредное влияние значительной емкости кабеля на постоянную времени усилителя, а т а к ж е влияние микрофонных шумов, возникающих при вибрациях кабеля. После предварительного усиления сигнала обычно осуществляют его фильтрацию от помех. Эта фильтрация производится путем ограничения полосы частот с помощью полосовых или отсекающих электронных фильтров. Выбор полосы пропускания фильтра зависит от спектральных характеристик сигнала и шума. Наиболее
просто выбрать полосу пропускания фильтра при непре- • рывной амплитудной модуляции, когда спектр сигнала состоит из небольшого числа гармоник. В этом случае целесообразно применить узкополосный полосовой фильтр, пропускающий основные гармоники спектра сигнала. Сужение полосы пропускания снижает уровень шумов, спектр которых обычно гораздо шире, чем спектр сигнала. Однако чрезмерное сужение полосы часто нежелательно, т а к как реальный спектр сигнала может немного отличаться от идеального в силу нестабильности работы реальных модуляторов, а кроме того, при очень узкой полосе пропускания увеличивается неустойчивость следящей системы, в составе которой работает ОЭП. В качестве наиболее распространенных узкополосных фильтров в О Э П используются /?С-фильтры типа двойного Т-образного моста, позволяющие получить достаточно узкие полосы пропускания, простые по конструкции, легко перестраиваемые на новую полосу и мало подверженные влиянию внешних электромагнитных полей, а т а к ж е LC-фильтры, фильтры с кварцевой стабилизацией и др. [50]. При работе с импульсными сигналами, спектр которых сравнительно широк, полоса пропускания усилител я должна быть широкой. Если в процессе обработки сигнала желательно сохранить форму импульса, то приходится делать эту полосу достаточно большой. При этом увеличивается уровень внутренних шумов, проходящих через усилитель. Во всех случаях работы О Э П следует помнить о необходимости выполнения известного соотношения (см., например, [52]) A/A/=const, где Af — полоса пропускания прибора; At— минимальное время, необходимое для проведения измерений или наблюдений с его помощью, или длительность сигнала. Произведение Af и At обычно близко к единице. Это выражение, определяющее связь полосы пропускания системы Af и ее разрешающей способности At, показывает, что уменьшить Af можно только до определенных пределов, при которых еще не теряется полезная информация. Часто усилитель О Э П должен работать в большом динамическом диапазоне, т. е. при изменении амплитуды
или мощности входного сигнала в широких пределах. Это может происходить, например, при значительных изменениях пропускания атмосферы на трассе светодальномерных измерений. В этом случае в схему усилителя целесообразно вводить блоки автоматической регулировки усиления (АРУ) или автоматической регулировки чувствительности ( А Р Ч ) . Блок А Р У при увеличении сигнала выше заранее выбранного уровня изменяет обратно пропорционально этому увеличению коэффициент усиления всего усилителя или какой-либо его части. Блок А Р Ч автоматически снижает напряжение питания в цепи приемника, что приводит к уменьшению чувствительности последнего при увеличении мощности входного оптического сигнала. Иногда для селекции полезного сигнала в схемах усилителей ОЭП применяются амплитудные ограничители, напряжение на выходе которых пропорционально входному напряжению лишь в определенных пределах — до тех пор, пока входной сигнал не превышает или не становится меньше определенного значения (порога ограничения). З а этим пределом выходной сигнал не зависит от входного и остается постоянным по амплитуде. Например, для отсечки шумовых импульсов с амплитудами меньшими, чем амплитуда полезного сигнала, можно применить ограничение снизу, т. е. не допускать срабатывания схемы от сигналов с амплитудой, меньшей порога ограничения. Амплитудные ограничители используются т а к ж е и к а к формирователи сигналов прямоугольной или трапецеидальной формы. Если в ОЭП применяется двухкратная модуляция сигнала, то после усиления и фильтрации сигнала несущей частоты и ее «спутников» следует выделить сигнал частоты управления и в случае необходимости усилить его. Выделение низкочастотного сигнала частоты управления производится с помощью детектирования (см. § 6.3). В зависимости от вида модуляции несущей частоты различают амплитудное, частотное и фазовое детектирование. В настоящее время разработано много схем и конструкций детекторов, изучаемых в специализированных радиотехнических курсах [14, 52]. В ОЭП большое распространение получило амплитудное диодное детектирование, которое осуществляется с помощью простых схем и обеспечивает минимальные искажения сигнала на большом участке линейной характеристики.
Д л я отсечки высокочастотных составляющих применяют-] ся простые отсекающие фильтры (фильтры низких частот) . При частотной модуляции частотно-модулированные колебания сначала преобразуются в амплитудно-модулированные, которые затем детектируются с помощью амплитудного детектора. Большинство схем детекторов надежно работает при входных сигналах порядка долей вольта и выше. Отсюда, по известному значению входного сигнала, можно определить необходимый коэффициент усиления усилителя несущей частоты. Поскольку сигнал на входе усилителя частоты управления, т. е. после амплитудного детектора, значительно больше, чем на выходе приемника, усиление и фильтрация в усилителе частоты управления достигаются более простыми средствами. Коэффициент усиления выбирается достаточным д л я того, чтобы выходной сигнал ьсегда превышал порог чувствительности индикатора или исполнительного элемента, расположенного на выходе электронной системы. 8.4.
И Н Д И К А Ц И Я
В Ы Х О Д Н О Г О
С И Г Н А Л А
После фильтрации и усиления сигнал поступает на индикатор, которым может быть электронно-лучевая трубка, фотопленка, стрелочный прибор, самописец, цифропечатающее устройство. Анализ информации, получаемой с помощью индикатора, часто производится человеком. Поэтому при выборе индикатора необходимо учитывать не только условия измерений, но и психофизические характеристики человека-оператора. Электронно-лучевые трубки (ЭЛ'Г) используются достаточно широко. Они сравнительно просты по конструкции, удобны в обращении. Частота записи электронным лучом достигает 107 Гц. Основными недостатками Э Л Т являются ограниченность числа р а з р е ш а е м ы х градаций сигнала, невысокая яркость свечения, невысокая чувствительность, что требует значительного усиления сигнала перед подачей его на отклоняющие пластины ЭЛТ. Трубки с накоплением обеспечивают большую яркость и имеют лучшее разрешение. Кроме того, они хранят информацию в течение такого времени (минуты, десятки минут), га которое ее можно дополнительно обработать. 188
Ёольшой динамический диапазон обеспечивают т а к называемые шлейфовые осциллографы, в которых на непрерывно движущуюся фотопленку проецируется световое пятно, положение которого меняется в соответствии с изменением регистрируемого сигнала. То ж е самое можно сказать и о самопишущих приборах (самописц а х ) , в которых движение пера по диаграммной протягиваемой ленте соответствует изменению сигнала. Эти индикаторы регистрируют лишь низкочастотные, медленные изменения сигнала (до нескольких десятков герц). Чувствительность их, к а к и у ЭЛТ, невелика. В последнее время появились образцы твердотельных (полупроводниковых, электролюминесцентных) индикаторов типа световых т а б л о и панелей. Эти индикаторы весьма удобны в эксплуатации б л а г о д а р я малым габаритам и массе, небольшим питающим напряжениям, но яркость и р а з р е ш а ю щ а я способность их пока еще невелики (см. гл. 2). Частота оптических методов записи достигает нескольких килогерц. Большим быстродействием о б л а д а ю т системы магнитной записи электрических сигналов, для которых достигнуты частоты записи пор я д к а 10 4 —10 6 Гц. В автоматических ОЭП индикация не является обязательной, а выходной сигнал является управляющим д л я исполнительного двигателя компенсатора, силового привода следящей системы, системы коррекции гироскопа и т. п. Определение коэффициента передачи (коэффициента усиления) электронного тракта в этих случаях д о л ж н о вестись с учетом требований к точности автоматического измерения или слежения. Пример расчета такого рода приведен в [57]. К а к уже отмечалось выше, при необходимости ввода информации Э В М используются аналого-цифровые преобразователи. В настоящее время наиболее часто используются преобразователи следящего типа и импульсные преобразователи. В преобразователях следящего типа происходит непрерывное сравнение входного и выходного сигналов. Входной сигнал пропорционален измеряемой величине, а выходной образуется с помощью специального генератора опорного напряжения. Изменения входного сигнала вызывают срабатывание генератора тактовых импульсов, поступающих на цифровой выход и д а л е е в машину. В большинстве импульсных преобразователей при
подаче входного сигнала запускается генератор линейно нарастающего (пилообразного) напряжения. В этот ж е момент запускается генератор импульсов и счетчик. Импульсы к счетчику поступают до тех пор, пока входной сигнал, соответствующий измеряемому угловому или линейному рассогласованию, и сигнал с генератора опорного линейно нарастающего напряжения не станут равными. Число импульсов, поступивших к счетчику, оказывается пропорциональным рассогласованию.
9. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРИЕМА И ОПТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
9.1.
К Р А Т К А Я
О П Т И Ч Е С К О Г О
Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А
О С Н О В Н Ы Х
М Е Т О Д О В
П Р И Е М А
И З Л У Ч Е Н И Я
К а к было показано в гл. 6, во многих случаях первичная обработка информации сводится к демодуляции сигнала, т. е. к выделению информации на частотах гораздо более низких, чем частота несущей (в том числе и оптическая частота). Методы выделения этой информации часто называют методами приема оптического излучения. Р а з л и ч а ю т ряд методов приема: прямой, гетеродинный, балансный, синхронный, прием частотно- и фазово-модулированных оптических сигналов и некоторые др. Наиболее распространены методы прямого и гетеродинного приема. Прямой прием оптического излучения состоит либо в непосредственной регистрации энергии, падающей на приемник, либо в подсчете числа фотонов, падающих на его чувствительный слой. Возникающий на выходе приемника электрический сигнал сохраняет изменения интенсивности принятого оптического сигнала, т. е. если приходящий на приемник сигнал промодулирован, то спектр этого сигнала сохраняется и на выходе приемника^ Схема прямого приема показана на рис. 53. Оптический фильтр предназначен для ослабления посторонних излучений. Приемник излучения может быть пред190
ставлен здесь линейным детектором, если р а с с м а т р и в а ется п р е о б р а з о в а н и е интенсивности оптического излучения в фототок, или к в а д р а т и ч н ы м детектором—при прео б р а з о в а н и и амплитуды электромагнитного поля в фототок. Электронные фильтры низких частот предназначены д л я преобразований спектра электрического сигнала, осуществляемых д л я повышения помехозащищенности прибора. З д е с ь фильтруется сигнал, несущий информацию о н а б л ю д а е м о м объекте. П р и прямом приеме используются элементы, описанные в предыдущих г л а в а х . Оптический Оптический фильтр сигнал
Приемник излучения
Р и с . 53. С т р у к т у р н а я с х е м а п р я м о г о
ЭлектронныеЗлектричгскии фильтры низсигнал ких частот
приема.
Конструктивно этот метод достаточно прост. Р а с ч е т основных п а р а м е т р о в системы может быть проведен по методикам, и з л о ж е н н ы м в [58]. П р и е м колебания, с о д е р ж а щ е г о и н ф о р м а ц и ю о наб л ю д а е м о м объекте, с о п р о в о ж д а ю щ и й с я сложением этого колебания со вспомогательным синусоидальным колебанием, с о з д а в а е м ы м специальным генератором (гетеродином), н а з ы в а е т с я гетеродинированием. П р и гетеродинном методе приема оптического излучения происходит смещение с о с т а в л я ю щ е й спектра модулированного сигнала, переносящей полезную информацию, из д и а п а з о н а несущей (высокочастотной области спектра) в область сравнительно низких частот. П р и этом методе приема часто это смещение происходит из области оптического спектра в область более низких радиочастот, в которой ф и л ь т р а ц и я и усиление сигнала современными техническими средствами осуществляется, проще, чем в оптическом диапазоне. С т р у к т у р н а я схема гетеродинного приема представлена на рис. 54. Н а приемник излучения н а п р а в л я ю т с я два сигнала — основной, идущий от н а б л ю д а е м о г о излучателя, и вспомогательный ( о п о р н ы й ) — о т генератора (гетеродина). Если частоты этих сигналов mi и ш2 различны, а приемник осуществляет к в а д р а т и ч н о е детектирование, то, к а к было п о к а з а н о в § 6.3, на выходе низкочастотного ф и л ь т р а ( Ф Н Ч ) образуется сигнал разностной ЧаСТОТЫ (01—0)2 [см. (6.15)].
Поскольку обычные приемники излучения являются квадратичными детекторами по отношению к амплитуде электромагнитного поля, основной и вспомогательный сигнал д о л ж н ы быть заключены в амплитуде колебаний. Другими словами, источники этих сигналов должны быть когерентными. В качестве таких излучателей в ОЭП используются оптические квантовые генераторы. Гетеродинный прием может быть использован для преобразования не самих оптических сигналов (сигналов с оптическими частотами), а колебаний, их модулируюЛолупрозрачное
Сигнал ow излучателя Asinatt
зе капо
Р x=Am0ft+ +e$in(ozt
Приемник У'* излучения
2 ФНЧ
АВсафгагН
^Bsino>zt Опорный сигнал от гетеродина Рис. 54. Структурная схема гетеродинного приема.
щих. Частоты этих модулирующих сигналов т а к ж е сдвигаются в более низкочастотный диапазон, где детектирование и фильтрация сигналов технически легче осуществимы. Этот метод применяется при детектировании оптического излучения, модулированного по интенсивности или поляризации. Гетеродинный прием обеспечивает высокую чувствительность прибора, при его использовании уменьшается влияние ряда шумов. Однако ему присущи и серьезные недостатки: необходимость строгого сопряжения волновых фронтов основного и опорного сигналов, жесткие требования к стабильности частот. Отсюда следует дополнительная усложненность конструкции прибора. Более подробно о гетеродинном приеме будет сказано в § 9.3. В том случае, когда частоты колебаний несущей и гетеродина одинаковы, а фазы синхронны, прием сигнал а иногда называют гомодинным. В § 6.3 указывалось, что при детектировании таких колебаний (синхронном детектировании) выходной сигнал максимален при равенстве ф а з информационного и опорного сигналов [см. (6.15)]. ' Если наряду с основной гармоникой сигнал гетеро• дина содержит шумы, то качество приема может замет192
но ухудшиться. Уменьшить влияние шумов гетеродина могут балансные методы приема оптического излучения, схема одного из которых приведена на рис. 55. Полупрозрачное зеркало создает для проходящего потока сдвиг по фазе на —я/4, а д л я отраженного — на + я / 4 . В результате этого на приемники поступают сумма и разность информационного и опорного сигналов вместе с шумами. Выходные сигналы с фотоприемников сме-
Рис. 55. Структурная схема балансного метода приема.
шиваются. В электронном тракте могут быть отфильтрованы составляющие разностной частоты. Характеристика балансного детектора имеет вид: г / = к д [ ( Е с + Е г ) 2 - к б (Ес-Ег)2],
(9.1)
где постоянная Кб делается близкой к единице. Если входной сигнал Ес и сигнал от гетеродина Ег представить в виде сумм полезной и шумовой составляющих, то в результате анализа получившегося выражения можно убедиться, что шумы гетеродина, входящие в выражение для выходного сигнала у, уменьшаются в 2 / ( 1 — к б ) раз при балансном детектировании. При равенстве частот информационного и опорного сигналов отношение сигнал/шум может в два р а з а превышать это же отношение при несинхронном балансном детектировании. В работах [40, 53] рассмотрены и другие, менее распространенные на практике методы приема оптического излучения. 9.2.
О Т Н О Ш Е Н И Е
С И Г Н А Л / Ш У М
Д Л Я
П Р Я М О Г О
М Е Т О Д А
П Р И Е М А
Рассмотрим методику расчета важнейшего параметра ОЭП— отношения сигнал/шум на выходе детектора. Будем определять это отношение как среднюю мощность сигнала, отнесенную к средней мощности шума. 13—783
193
Полезный равен
сигнал в виде напряжения на выходе приемника «nH=Su®,
(9.2)
где Su — чувствительность приемника излучения по напряжению; Ф — поток, падающий на приемник. Электрический сигнал на выходе детектора электронного тракта, имеющего коэффициент усиления к э , равен «BMI=S„®K,.
(9.3)
В этом случае Ф — постоянный поток, падающий на приемник в отсутствие модуляции и определяемый из энергетического расчета оптической системы. Отношение сигнал/шум можнэ в достаточно общем виде представить как отношение эффективной мощности сигнала к мощности шума:
т = Р 0 / Р т - U5вых'эфф/"^-
(9-4)
Мощность шума, пропорциональная дисперсии шума, для каждого конкретного случая зависит от источников шумов. К их числу могут относиться внутренние шумы приемника, внешние шумы, возникающие из-за флуктуации излучения объекта и фона, на котором наблюдается объект, а также шумы электронного тракта. При расчете внутренних шумов приемника следует учитывать изменения дисперсии шума, происходящие при изменениях как уровня полезного сигнала, так и фона. Например, уровень дробового и токового шумов зависит от тока, протекающего в цепи приемника, независимо от того, вызван ли этот ток сигналом, пришедшим от объекта или от фона. В том случае, когда имеют место флуктуации полезного сигнала или фона, в формулы шумов входят средние значения (математические ожидания) сигналов, а дисперсия этих флуктуации и г ш ф, приведенная к выходу приемника, может быть определена по спектру мощности шума. В полосе пропускания электронного тракта Af шум его, приведенный к выходу детектора, может быть описан как й^Г э = F k T R t f ^ ,
(9,5)
где F — шум-фактор (коэффициент шума) электронного тракта; R — эквивалентное шумовое сопротивление тракта; k — постоянная Больцмана; Т — температура. Считая шумы некоррелированными, получаем д
= к г э ("!ш пи + "5ш ф + и'ш э) •
(9-6)
Таким образом, вместо (9.4) в достаточно общем виде с учетом к. п. д. модуляции к м можно записать
m = км5г„Фг/(«'шпи +
•
(9.7)
В качестве примера рассмотрим случай, когда основными являются дробовой и тепловой шумы приемника излучения. Дробовой шум определяется темновым током tT, током, возникающим от воздействия на приемник сигнала, среднее значение (постоянная составляющая) которого равна Ф/2, и током, возникающим от дей-
ствия постоянной составляющей фоновой засветки Фф. Таким образом, дробовой шум в полосе Д/ равен
= Че (tT + « Ф / 2 + si Ф^) Д/,
(9.8)
где Si — чувствительность приемника по току; е — заряд электрона. Тепловой шум на нагрузочном сопротивлении Ra равен = 4Л77?НД/.
(9.9)
Тогда мощность шума на выходе электронного тракта = 2Д/к г э [eRH (tT + 5:Ф/2 + s.-фф) + 2 k T ] . При двухкратной амплитудной модуляции к м =0,125. ность сигнала Рс=кми2в ы х /Лн=0,125$ 2 и Ф 2 к 2 э /Ян. Отношение сигнал/шум
(9.10) Тогда мощ-
Рс
sW
Ли
16 [еЛн (; т + * Ф / 2 + *Ф ф ) + 2 W ] Д/Я н
В идеализированном случае, шум, вызываемый сигналом,
когда
имеет
(9.11)
v
'
место лишь дробовой
m = Pc/Pm=s2u®/8£VsiA/.
(9.13)
При Su—StRB m=Si
(9.14) потока Ф х эффективполучаем, число фо(9-15)
Здесь h — постоянная Планка; Со — скорость электромагнитных колебаний в вакууме; Я — длина волны в мкм. Если ширина полосы пропускания системы равна Д/, то количество эффективных электронов (носителей заряда), возникающих в приемнике за время осреднения т=1/2Д/ э , равно NX = N\/2Д/Э.
(9.16)
Дисперсия статистических флуктуаций этого ~количества_определяется как [43] Д^ 2 р х = а среднее квадрагическое значение шумового сигнала из-за флуктуаций равно А^р). = ] / ^ х 2 д / э = 3,17-10- / т ^ Ф - д Д / з .
(9.17)
Это значение определяет в квантовой форме принципиально неустранимый внешний шум, называемый также радиационным. При его расчете по формуле (9.17) следует учитывать не только полезный сигнал, но и сигнал от фона, проходящий через узкополосный оптический фильтр, настроенный на пропускание излучения с длиной волны X. Иначе говоря, Фх является суммой монохроматических сигналов от наблюдаемого объекта и от фона. 13* 195
Будем считать, что, помимо радиационного шума, чувствительность прибора ограничивают лишь шумы приемника, а шумы электронного тракта пренебрежимо малы. В квантовой форме монохроматический порог чувствительности ФпХ приемника = ФЛЬ/Ас,>
5
,
0
4
-
(
9
-
1
8
)
где Ф * п , ' [ В т . П Г ^ — монохроматический порог чувствительности приемника, приведенный к единице полосы пропускания (паспортный параметр, см. § 5.2). Ранее указывалось, что при определении порога чувствительности приемника одной из составляющих шума является радиационный шум. Здесь же мы выделили его отдельно (9.17). Это объясняется тем, что в большинстве случаев радиационный шум, учитываемый при паспортизации приемника, гораздо меньше других шумов и практически не влияет на Фп- Однако при работе прибора в реальных условиях уровни сигнала и особенно фона заметно возрастают, поэтому возрастает и радиационный шум. Нужно указать, что сделанное в начале этого параграфа замечание о необходимости учета фона при расчете отдельных видов шума полностью распространяется и на рассматриваемый случай, т. е. на расчет ФпХ и ДjVnX. При сделанных выше предположениях отношение сигнал/шум на входе ОЭП, определяемое отношением амплитуды полезного сигнала к среднему квадратическому значению шума, с учетом (9.15), (9.17) и (9.18) равно
/
1,59- 109ФХс (9.19)
Здесь Ф х = Ф Х с -f- ФХф — сумма потоков от объекта Ф Хс и от фона ФХф, приходящих на приемник; X измеряется в микрометрах, Ф х — в ваттах, Д/ э — в герцах. При значительном превышении сигнала над фоном и шумами формула (9.19) упрощается и принимает вид т =
1,59.10 9 |/Ф Х с Х7] х /Д/э-
(9.20)
В том случае, когда имеет место мощный фон с яркостью L x ф (например, когда по сравнению с размером наблюдаемого излучателя поле зрения прибора велико), поток, приходящий на входной зрачок площадью s B х от малоразмерного источника, создающего на зрачке облученность £ Х с , и от фона в телесном угле Д£2, равен Фх = Фхс + Ф ) ф ^ £хс«вх
(9.21)
Считая, что радиационный шум при этом больше порога чувствительности приемника, а яркость фона больше яркости наблюдаемого излучателя, т. е. Ф х £ Х ф Д2« в х , получаем из (9.19) т =
1,59- 10"Ф Х с /|/Д/ э 1 Х ф 5 в х дд/7) х Х.
(9.22)
Аналогичная методика может быть распространена и на случай немонохроматических потоков. При этом в формулы вида (9.19), (9.20), (9.22) следует подставить значения соответствующих интегралов от величин монохроматических сигналов и шумов. Например, вместо числителя (9.19) следует взять 1,59Х х
Ю' i Ф Х ( : d\, где Л, — X, — спектральная полоса
пропускания при-
I бора, а в подкоренном выражении (9.19) необходимо слагаемые в виде >. |(ФхЛ)хХ)Л и 2 , 5 2 . 1 0 » J ® V f t .
9.3.
Г Е Т Е Р О Д И Н Н Ы Й
П Р И Е М
О П Т И Ч Е С К О Г О
представить
И З Л У Ч Е Н И Я
При гетеродинном приеме осуществляется взаимная корреляция входного информационного сигнала и опорного сигнала гетеродина. При когерентных сигналах здесь удается достичь большей чувствительности, чем в случае прямого приема. Рассмотрим выражение (6.15), полученное для случая квадратичного детектирования суммы двух гармонических колебаний. Заменим в (6.15) В на Ес — амплитуду входного сигнала, А на Ег — амплитуду опорного сигнала. Пусть Ш2=(0С — частота входного сигнала, <вц= =(0 Г — частота гетеродина, k a =s„k 8 , причем s u — ч у в ствительность приемника, к э — коэффициент передачи электронного тракта, включающего низкочастотный фильтр. Тогда для сигнала на выходе цепи «приемник-Ь квадратичный детектор + низкочастотный фильтр» получим u B hix=s u KaE c E r cos (сог—©с)/.
(9.23)
Переходя к потокам Ф с и Ф г , попадающим на чувствительный слой приемника и являющимся квадратичными функциями Ес и Ег, получаем «вых =
S U K 3 У Ф с Фг c o s (шг — 0JC) t.
(9.24)
Условием оптимального гетеродинного приема является строгая синфазность колебаний, приходящих на детектор. Это означает, что пучки, падающие на чувствительную площадку приемника, выполняющего роль квадратичного детектора, д о л ж н ы быть строго согласованы, т. е. фронты информационного и опорного сигналов дол-
жны иметь одинаковую фазу вдоль всего чувствительного слоя. Формула (9.24) справедлива д л я этого идеального случая. В том случае, когда фронты входного и опорного сигналов, падающих на приемник с размером чувствительной площадки d, различаются на угол -ф, выходной сигнал равен [40] "ВЫХ~
SuK3
КФсФгСоб
(сог — (ос) / sin (cocdsin ф/2с0) (Msin.+)/2c.
1
/о 95ч '
Здесь Со — скорость распространения излучения. Зависимость выходного сигнала от угла накладывает весьма жесткие требования на конструкцию и юстировку гетеродинного приемника. Так, при 10%-ном допуске на изменение амплитуды сигнала из-за разности ф а з величина (o)cfif sin ф)/2со д о л ж н а быть менее 0,8 рад. Отсюда вытекает требование: ty^X/Ad. И з формулы (9.24) следует, что д л я повышения уровня выходного сигнала необходимо увеличивать мощность гетеродина. Но при этом нужно отметить, что при наличии в спектре гетеродина побочных гармоник (кроме основной с частотой шг) возникают биения между этими гармониками и входным информационным сигналом, которые могут пройти через низкочастотный фильтр, установленный после детектора. Эти биения являются помехами, поэтому увеличение мощности гетеродина, создающего колебания нескольких частот, целесообразно лишь до некоторого предела. Такие ж е биения возникают при взаимодействии гармоник опорного сигнала с шумовыми сигналами, источником которых является окружающий фон. Если эти шумовые сигналы некогерентны, т. е. их фазы случайны по отношению к фазе гетеродина, то биения весьма незначительны. Дисперсия шума м2Шб, обусловленного паразитными биениями, определяется к а к сумма мощностей отдельных гармоник: =
(9.26)
Другими шумами при гетеродинном приеме являются те же, что и при прямом приеме, т. е. шумы приемника излучения, флуктуационные шумы полезного сигнала и фона, шумы электронного тракта. В отдельных случаях приходится учитывать шумы, возникающие в цепи при198
емника из-за действия побочных гармоник гетеродина, например дробовой шум. Тогда можно написать следующее выражение д л я дисперсии шума u V пи Ф ~Ь ыг™ э -f- ыгш б(9.27) Обобщенное выражение для отношения сигнал/шум в случае гетеродинного приема можно представить как отношение эффективной, мощности сигнала на выходе фильтра, выделяющего разностную частоту, к мощности шума в той ж е полосе частот. Мощность сигнала Рс может быть найдена в результате временного усреднения (9.24) по периоду разностной частоты; в случае идеальной синфазности колебаний Рс = « н = 2 (Kss„ V W [ R « , (9.28) а мощность шума, приведенная к выходу электронного тракта, Рш = к г Л / Я „ . (9.29) Здесь R„— сопротивление нагрузки на выходе низкочастотного фильтра. Отношение с и г н а л / ш у м т = Р с / Р ш = 2550ФсФг/«?ш. (9.30) Если рассмотреть тот же пример, что и в предыдущем параграфе, когда основными являются дробовые и тепловые шумы приемника, то для мощности шума можно записать Wm = 2е [.st (Ф с + Ф г + $ф) + <'т] R2нУ + 4 И З Д .
(9.31)
Тогда =
з'цФсФг
, 9 32,
т
е Ц [s/ (Ф с + Ф г + Фф) + Ч *»• + 4 А 7 З Д ' В случае заметного преобладания дробового шума, вызванного сигналом гетеродина, т=52иФс/Я2неД^;. (9.33) Сравнивая выражения (9.13) и (9.33) для прямого и гетеродинного приема, можно убедиться в преимуществах гетеродинного приема для рассматриваемого случая. Отношение сигнал/шум здесь выше в 8 раз, если полосы пропускания электронных трактов одинаковы. Если же возрастают другие составляющие шума приемника, т. е. тепловой шум и темновой ток, то преимущество гетеродинной схемы перед схемой прямого приема еще более возрастает. Однако следует помнить, что основные преимущества гетеродинного приема реализуются лишь при достаточно хорошей монохроматичности гетеродина, при хорошей стабильности его параметров.
Д л я обеспечения хорошей фильтрации разностной частоты (® г —(о с ) в системах с гетеродинным приемом осуществляется контроль частоты гетеродина с ее подстройкой для компенсации уходов и нестабильностей
частоты информационного сигнала. Особенно часто это применяется в системах с гомодинным методом приема, когда (ос==а)г. Опорный гетеродин управляется сигналом, получаемым с выхода приемника излучения и обеспечивающим синхронность колебаний. При рассмотрении приведенных примеров полностью не учитывалось влияние фона. В этой связи нужно указать, что при превышении фоновых шумов над внутренними шумами приемного тракта и при заметном превышении Ф г над Ф с гетеродинный прием далеко не всегда обладает преимуществами перед прямым приемом. Слишком большое превышение опорного сигнала Ф г над информационным Ф с часто ограничено, так как д л я многих приемников излучения (особенно ФЭУ) допустимы небольшие мощности засветки. К приемникам, используемым в гетеродинных системах, предъявляется ряд специфических требований: мал а я инерционность, малый разброс времени пролета носителей, от которого зависит инерционность приемника и верхняя граничная полоса его частотной характеристики, высокая квантовая чувствительность в рабочем участке спектра. Необходимо, чтобы ф а з а детектируемого приемником сигнала не зависела от амплитуды этого сигнала. В качестве приемников в гетеродинных системах используются малоинерционные фотоумножители и фотодиоды, фотоприемники С В Ч диапазона и некоторые другие. Большинство современных ФЭУ, являющихся достаточно чувствительными для приема слабых сигналов, пропускают частоты колебаний не свыше 100 МГц, что объясняется инерционностью их динодной системы. Д л я повышения точности измерений, например дальномерных, следует увеличить рабочую частоту. При этом в качестве приемников могут быть использованы малоинерционные приемники типа фото-ЛБВ, фотоклистроны, динамические ФЭУ, малоинерционные фотодиоды, Л Б В - Ф Э У [28, 53]. Р е а л ь н о достигнутые пороги чувствительности для гетеродинных фотоприемников составляют Ю - 9 Вт-Гц _ 1 / 2 . Принципиально возможно регистрировать один-два кванта в единичной полосе частот при квантовой эффективности равной единице. Пересчет к произвольной полосе частот в отличие от прямого фотодетектирования производится по линейному закону.
П а р а м е т р ы гетеродинной системы ухудшаются т а к ж е при нарушении пространственной когерентности излучения, вызываемой как несовершенством .излучателей, так и влиянием среды, через которую проходит сигнал. Это может наблюдаться, например, при прохождении сигнала от О К Г через турбулентную атмосферу. Несмотря на все указанные выше недостатки и ограничения, несмотря на недостаточную до сих пор конструктивную и технологическую отработку элементов и систем, используемых д л я гетеродинного метода приема оптических сигналов, этот метод все ж е является весьма перспективным д л я внедрения его в практику геодезических линейных и угловых измерений. Об этом свидетельствует достаточно успешный опыт его использования в светодальномерах. П о м е щ а я на торцевой поверхности фотоумножителя электроды в виде сетки, шайбы и т. п. и подавая на него переменное напряжение, можно управлять эмиссией фотокатода. При одновременном действии на фотокатод светового потока, промодулированного с частотой о)ь и дополнительного электрического поля, действующего на фотокатод с частотой 0)2, на выходе фотоумножителя образуется сигнал разностной частоты. При гомодинном приеме (0)1 = 0)2) значение фототока зависит от разности фаз между фазой сигнала, прошедшего измеряемую трассу и возвратившегося в светодальномер, и фазой опорного сигнала, создаваемого с помощью дополнительного электрода. В настоящее время эффективное применение такого метода возможно при значениях разностной частоты в несколько гигагерц.
9.4.
Д И Н А М И Ч Е С К И Й
О Д Н О Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Х
М Е Т О Д
П Р И Е М А
( М Е Т О Д
С Ч Е Т А
И М П У Л Ь С О В )
Наряду с методами приема и преобразования оптического сигнала в электрический, при которых регистрируется среднее значение выходного тока или напряжения и которые называются статическими, существует динамический метод (режим) работы, когда регистрируются отдельные импульсы тока или напряжения. Иногда этот метод называют также методом счета одноэлектронных импульсов. При динамическом методе сигнал на выходе приемника характеризуется скоростью счета импульсов, возникающих при попадании на фоточувствительный слой отдельных квантов излучения. Среднее число фотоэлектронов, возникающих в цепи приемника при попада-
НИн На него потока излучения Ф, равно л
с
=
г
(
ф / Л у ,
( 9 . 3 4 )
где г) — квантовая эффективность фотоприемника; v — оптическая частота излучения; h — постоянная Планка. Если в качестве приемника используется фотоэлектронный умножитель, то каждый отдельный фотоэлектрон вызывает на аноде лавину электронов, число которых определяется коэффициентом усиления ФЭУ и которые заряжают распределенную выходную емкость С (обычно С = 4—20 иФ). Если емкость успевает разрядиться через нагрузку R до прихода следующей лавины электронов, то регистрируются неперекрывающиеся одноэлектронные импульсы, соответствующие приходу на фотокатод отдельных квантов излучения. Устанавливая определенный уровень срабатывания следующей за приемником электронной, схемы, можно подавить значительную часть шумовых импульсов, возникающих вне фотокатода. Скорость счета квантов п - 1 определяется неравенством п - 1 ^ ^RC. При n~i
(9,35)
При этом отношение сигнал/шум (пс тс)2
пгс tc
[У(пс + пш)г^
«с + «ц
( 9 . 3 6 )
где т г — время измерения (длительность сигнала); п ш — среднее число фотоэлектронов, возникающих из-за внутренних шумов и воздействия внешнего фона на приемник. Если для срабатывания ОЭП необходимо, чтобы число электронов пс превысило некоторый порог пп, то вероятность срабатывания
00 w ( n ^ n
n
,
, я
с
) =
2
( « с )
я
. е х р ; ( — п
с
) / я ! .
( 9 . 3 7 )
Из последнею выражения можно получить число электронов Пс мин, соответствующее заданной по техническим условиям вероятности w. Подставив пс мин в формулу (9.34), можно найти поток, соответствующий заданной вероятности, и вести дальнейший энергетический расчет по обычной методике. Достоинством этого метода является то, что при счете импульсов используется вся энергия сигнала, в то время как при прямом и гетеродинном приеме, когда используется модуляция сигнала, часть его энергии теряется. Регистрация каждого импульса индивидуально позволяет исключить влияние шума, обусловленного умножительной системой фотоприемника. Однако следует учесть, что при увеличении уровня полезного сигнала эффективность метода счета уменьшается из-за увеличения
вероятности наложения одного импульса на другой. Такое наложение может произойти, если при длительности импульса т с наблюдается соотношение й с т 0 > 1 . По этой причине метод счета используется для приема слабых оптических сигналов. Метод счета импульсов является перспективным для использования его в оптической локации (дальнометрии), где интервал времени регистрации, в течение которого может появиться группа пришедших от излучателя (отражателя) фотонов, мал по сравнению со средним интервалом времени между двумя одноэлектронными импульсами фона. Очевидно, что уменьшить вероятность наложения импульсов друг на "друга можно при использовании весьма малоинерционного приемника. Обычно для счета импульсов используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Использование ФЭУ в режиме счета теоретически позволяет существенно снизить порог чувствительности. Однако реальные свойства фотоумножителей заметно ухудшают ожидаемый теоретический выигрыш, а иногда приводят и к проигрышу в чувствительности. Это объясняется тем, что не все ФЭУ обеспечивают достаточно большое усиление, необходимое для того, чтобы все одноэлектронные импульсы превышали уровень шумов. Увеличение усиления путем увеличения нагрузки увеличивает постоянную времени цепи приемника, что ухудшает временное разрешение импульсов. Увеличить чувствительность ФЭУ путем увеличения питающего напряжения также обычно не удается, так как возрастает уровень шумов схемы. В обзоре [4] приводятся данные о возможностях некоторых современных фотокатодов, используемых в счетчиках фотонов. Наиболее чувствительные катоды с «отрицательным электронным сродством» имеют токовую чувствительность примерно 1300—1700 мкА-лм - 1 , а длинноволновую границу спектральной характеристики на Я,= 1,1—1,4 мкм. Для распространенных катодов типа CI, 011 и С20 число темновых отсчетов, вызванных термоэмиссией при 25°С и ограничивающих пооог разрешения, составляет соответственно 105—10е: 102—103 и 101—10г импульсов в секунду с 1 см2 площади фотокатода. Другими причинами, ограничивающими временное разрешение счетчика, являются флуктуации времени пролета электронов, крутизны фронта и формы импульсов. Разброс времени пролета в ФЭУ со скрещенными полями составляет 140 пс, в микроканальных Ф Э У — д о 77 пс. Наилучшими ФЭУ для работы в динамическом пежиме являются ФЭУ-64, ФЭУ-69, ФЭУ-79, ФЭУ-87 и др. [4, 361.
9.5. Е Е
О П Т И Ч Е С К А Я
К О Р Р Е Л Я Ц И Я
И С П О Л Ь З О В А Н И Я
Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Х
В
И
В О З М О Ж Н О С Т И
Г Е О Д Е З И Ч Е С К И Х
О П Т И К О -
П Р И Б О Р А Х
Д л я реализации оптимального приема оптического сигнала можно использовать принципы .и методы оптической корреляции []21, 45]. И з выражения для функции корреляции (функции кросс-корреляции, функции взаим203
ной корреляции) +О0 J f, (а) /*, (а + Да) da (9.38) —00 следует, что обобщенная функциональная схема коррел я т о р а — прибора д л я получения этой функции д о л ж н а иметь вид, представленный на рис. 56. k n (Да) =
Рис. 56. Функциональная схема коррелятора.
Сдвиг одной из функций относительно другой на Да достигается либо с помощью линии задержки, если сигналы являются функциями времени, либо путем пространственного смещения / * 2 ( а ) относительно / i ( a ) , если а — координата пространства, а / i ( a ) и / * 2 ( а ) — функции распредет ш ления яркости, облученности, про* * зрачности и т. п. а Фвых( ) М о ж н о показать, * * что операции умнои жения и интегрирования сравнительно Рис. 57. Простейшая оптическая множилегко осуществлятельная схема. ются е помощью оптических элементов. На рис. 57 представлена простейшая схема для перемножения двух функций, которые описывают распределение прозрачности транспарантов f i ( a ) и / * 2 ( а ) . Н а выходе распределение потока
р|
Фвых (а) = Фвх (а) f 1 ( а ) / * 2 ( а ) . (9.39) Возможно не наложение одного транспаранта на другой, а проецирование f i ( a ) в плоскость / * 2 ( а ) . Интегрирование по плоскости, например по площади перекрытия / i ( a ) и / * 2 ( а ) , можно осуществлять, собирая излучение с этой площади на приемник, размер чувствительного слоя которого больше, чем изображение этой площади перекрытия Qa. На рис. 58 представлена схема простейшего устройства, в котором умножение происхо204
д.ит путем проецирования f i ( a ) в плоскость / * 2 ( а ) , а интегрирование осуществляется линзой ( И ) , собирающей поток на приемник излучения ( П И ) . В этом случае сигнал на выходе линзы Фвых ( Д а ) =
|
Ф в х ( a ) f, ( а ) / * г ( а
Да)
da.
ва Из-за того, что прозрачность транспарантов не может быть отрицательной, функции / i ( a ) и / * 2 ( а ) всегда являются положительными. Это иногда ограничивает воз-
Ш
f*(a)
Рис. 58. Схема перемножения с проецированием fi (а) в плоскость
/*2(«)• можности корреляционной обработки биполярных сигналов при некогерентном излучении, поскольку сигнал на выходе приемника, помимо функции корреляции, имеет т а к ж е и другие составляющие, создающие помехи. Например, если прозрачность транспарантов t i ( a ) = = T i o + / i (а) и т 2 ( а ) = Т 2 о + / * 2 ( а + Д а ) , где тю и т2о — постоянные составляющие сигналов t i ( a ) и Тг(а), a / i ( a ) и / * 2 ( а + Д а ) — их переменные составляющие, то сигнал на выходе коррелятора Фвых ( Д а ) =
[ Ф в х ( a ) X, ( а ) х 2 ( a ) da
=
Qа.
= х,0т20 [ ® B X ( a ) d a - | - t i o f Фвх(а)7*г ( a - j - Д а ) da-(Qa Qa +
х 20 $ Фвх (а) / , (a) da + Qa
f Ф в х (а) / , (a) f \ ( а + Д а ) da.
(9.40)
Qa
Только последнее слагаемое определяет искомую функцию корреляции, а остальные создают вредный, помехозый фон.
В некогерентной оптической системе, т. е. в системе, работающей с некогерентным излучением, устранить мешающие составляющие выходного сигнала затруднительно. Этого легче достичь при использовании когерентного излучения (в когерентных оптических системах). Одной из наиболее значительных сложностей при конструктивном оформлении схем оптической корреляции является осуществление сдвига функций /1 (а)
Рис. 59. Схема некогерентного оптического коррелятора.
и / * 2 ( а ) на величину Да. Механическое перемещение транспарантов в достаточном диапазоне Да иногда сложно производить. Поэтому более перспективны схемы, где операция вида (9.38) осуществляется без перемещения f i ( a ) и / * 2 ( а ) . На рис. 59 представлена т а к а я схема некогерентного коррелятора. Луч, исходящий от точки транспаранта или объекта, описываемого функцией fi(a), имеет координату а. Н а основе простых геометро-оптических построений легко доказать, что в плоскости /*z(a) он пройдет через точку с координатой ( а + Д а i f f ) . Таким образом, в фокальной плоскости интегрирующей линзы для данного луча (узкой световой трубки), т. е. в точке с координатой Да, сигнал определяется произведением f i ( a ) и / * 2 ( а + Д а / / / ' ) . Весь сигнал, образующийся в этой точке в результате суммирования энергии, идущей в том ж е направлении от других точек / i ( a ) , будет равен интегралу / ft [a)f*2(a-{-Aal/f')da, взятому по области действительных значений /1 (a) 205
и /*2 ( а ) . Этот интеграл и является, по сути дела, функцией взаимной корреляции / i ( a ) и / 2 ( а ) . Д л я определения вида корреляционной функции k\2 (Act) нужно определить закон распределения освещенности в фокальной плоскости линзы. Д л я этого можно использовать сканирование в этой плоскости, например, узкой щелью. Одним из наиболее важных ограничений, препятствующих точному воспроизведению корреляционной функции в оптических системах, является конечность предеГ*
лов интегрирования, определяемых конечными значениями апертур оптических элементов коррелятора. Ошибка в значениях корреляционной функции, полученной на выходе коррелятора, тем меньше, чем ближе эти пределы к бесконечным. Если используется когерентное излучение, то возможно создать коррелятор, схема которого представлена на рис. 60. Транспарант — пространственный фильтр (Т) с прозрачностью / * 2 ( а ) помещается непосредственно в плоскости Р, где объективом О] строится изображение f i ( a ) . Эта плоскость является передней фокальной плоскостью объектива 0 2 . Известно [45], что при когерентном излучении в задней фокальной плоскости образуется спектр произведения f i ( a ) и / * 2 ( а ) : / (юа, Да) =
+00 f —00
/ (a) / * , ( а + Да) ехр ( - / ю а ) da. (9.41)
Здесь Да — сдвиг фильтра, т. е. сдвиг / * 2 ( а ) сительно изображения, описываемого fi(a). В
отноточке
ш
=
0 > т - е - в начале координат, последнее выражение обращается в функцию корреляции f i ( a ) и / 2 ( а ) . Помещая в начале координат задней фокальной плоскости объектива 0 2 узкую щель и приемник и перемещая транспарант на Да, можно осуществить операцию корреляции функций /1 (а) и / 2 ( а ) . Способы оптической корреляционной обработки сигналов оказываются достаточно эффективными при решении ряда в а ж н ы х практических з а д а ч (выделение сигналов на фоне шумов, определение направления на излучатель, автономная ориентация и навигация, дешифрирование изображений, обработка радиолокационных карт местности, определение отношения и / Я в аэросъемке и др.) [6, 17, 45]. Принцип работы большинства систем с оптическими корреляторами основан на определении максимума функции корреляции (9.38). Значение максимума этой функции при идентичности / i ( a ) .и / 2 ( а ) соответствует Д а = 0 . Например, если / i ( a ) на рис. 59 является визирной маркой в передающей оптической системе, а /2(a) — ее аналогом, помещенным в приемной оптической системе, то очевидно, что максимум функции взаимной корреляции, достигаемый при Да = 0, соответствует соосности этих систем. Т а к а я система может быть использована для точного определения направления на визирную марку. В литературе [6, 45] описаны корреляционные автономные системы ориентации и навигации летательных аппаратов, а т а к ж е средства автоматического судовождения. Имея на борту карту местности или звездного неба и сравнивая ее с изображением поля зрения системы, можно создать автоматическую систему, которая будет следить за их идентичностью по максимуму функции взаимной корреляции. Сигналы, характеризующие отклонения от максимума функции взаимной корреляции, используются д л я управления автопилотом или рулевой системой. Наибольшее распространение в настоящее время получили оптические корреляционные устройства для обработки графической информации — выделения специфических объектов на фотоснимках, распознавания образов и т. п., использующие оптимальную (согласованную) пространственную фильтрацию. а
9.6. В
О П Т И М А Л Ь Н А Я
Ф И Л Ь Т Р А Ц И Я
О П Т И К О - Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Х
С И Г Н А Л О В
Н А
Ф О Н Е
П О М Ё Х
П Р И Б О Р А Х
Наиболее часто встречающимися з а д а ч а м и при использовании О Э П являются задача обнаружения сигн а л а на фоне помех, а т а к ж е з а д а ч а точного измерения одного или нескольких параметров сигнала. Эти процессы часто называют фильтрацией сигнала. В силу случайного характера помех, а часто и сигналов, имеющих место в ОЭП, при решении обеих з а д а ч приходится пользоваться методами математической статистики, теории вероятностей и теории информации [7, 11, 49]. Качественными показателями рассматриваемых систем при этом часто являются вероятности ошибок обнаружения (или необнаружения) сигнала или вероятности ошибок измерения при приеме смеои сигнала и помех. Существует ряд критериев оптимальности систем обнаружения или измерения, одним из наиболее распространенных является критерий отношения правдоподобия, применяемый к обеим указанным з а д а ч а м и хорошо известный в радиолокации, где он был впервые развит. Анализ этого критерия показывает, что оптимальной системой обнаружения является та, где достигается максимально возможное значение отношения сигнал/шум. Это отношение при постоянстве спектральной плотности мощности шумов ф ш на входе прибора можно представить в следующем виде: т = 0(а)/|/*ш = / О 7 ^ ,
(9-42)
где у (а)—функция, описывающая сигнал на выходе прибора; и2ш — дисперсия шумов, приведенная к выходу; Q — энергия входного сигнала. Д л я шумов, спектр которых зависит от частоты со и описывается функцией ф ш ( ш ) , максимально достижимое отношение
—00 где 5 ( ш ) — с п е к т р входного сигнала (преобразование Фурье от функции, описывающей изменение входного сигнала во времени или в пространстве). Очень часто основной задачей, стоящей перед оптикоэлектронной системой обработки информации, является 1 4 — 7 8 3
2 0 9
измерение какого-либо из параметров сигнала, приходящего на вход прибора. Например, параметры сигнала могут быть определенным функциональным образом связаны с координатами излучателя. В этом случае точность измерения параметров сигнала будет определять и точность измерения этих координат. Перед ОЭП, служ а щ и м и для таких целей, ставится обычно задача по возможности более точного воспроизведения сигнала (по одному или нескольким его п а р а м е т р а м ) . Поэтому их часто называют системами воспроизведения. Точному воспроизведению мешают те ж е факторы, что и при обнаружении сигнала, т. е. различные шумы и помехи. Обычно принципиально неустранимыми являются случайные шумы и помехи, как внешние, т. е. возникающие вне ОЭП, так и внутренние, источники которых находятся в составе прибора. Поэтому критерием качества систем воспроизведения является средняя квадратическая ошибка измерения (оценки) воспроизводимого параметра сигнала, например его временного или пространственного положения, амплитуды и т. д. Системы, которые обеспечивают минимальную среднюю квадратическую ошибку, являются в данном случае оптимальными. Точность измерений д л я оптимальной системы характеризуется дисперсией ошибки +00 0s — срш/2 J[s'(a)]»«fc, (9.44) —оо где s ' ( a ) — п р о и з в о д н а я от функции s ( u ) , описывающей входной сигнал. Если известны энергетические спектры сигнала Ц7с(со) и помехи <рш(со), то дисперсия ошибки +00 _1_ Г ТГеИ Уш И ^ 2* J 1Гс( ) +<Рш( ) —00
Из теории оптимальных методов приема известно, что оптимальными системами являются те, у которых функция, описывающая реакцию прибора на очень короткий импульс (импульсная реакция) h ( а ) , является зеркальным отображением функции s ( a ) , описывающей входной сигнал, т. е. / i ( a ) = s ( — а ) . Это ж е положение свойственно и системам обнаружения. Модуль частотной характеристики оптимального фильтра описывается следу-
ющим выражением Л (а>)
(CD) /<рт(й>),
(9.45)
где S * ( i o ) — с п е к т р , комплексно-сопряженный со спектром сигнала s(a); k — коэффициент пропорциональности. Обычно фильтрацию осуществляют с помощью специальных э л е м е н т о в — ф и л ь т р о в оптических, пространственных и временных частот. Однако и в этом случае трудно и часто невозможно синтезировать фильтр с нужными параметрами. Например, практически невозможно создать пространственный фильтр, пропускание которого будет в соответствии с условием h(a)=s(—a) подобно закону распределения освещенности в плоскости его установки. Поэтому на практике приходится иметь дело лишь с приближениями к оптимальным фильтрам, однако д а ж е и приближение к ним часто приводит к хорошим результатам, обеспечивая повышение помехозащищенности ОЭП. Такие «подоптимальные» фильтры часто решают задачу оптимизации системы либо с некоторыми допущениями, либо д л я ограниченного круга задач, например при работе в условиях какоголибо частного фона. Д л я борьбы с шумами и помехами в современных ОЭП пользуются различными методами. Наиболее распространены методы спектральной фильтрации, методы, в основе которых л е ж и т модуляция (пространственная и временная ф и л ь т р а ц и я ) , методы временной селекции импульсных сигналов, а т а к ж е корреляционные методы обработки сигналов. Рассмотрим, как физически осуществляются принципы оптимальной фильтрации (или приближения к ней) в ряде практических случаев. Спектральная фильтрация. Принцип спектральной фильтрации (селекции) чаще всего состоит в выборе такого рабочего участка оптического спектра, для которого на выходе приемника отношение сигнала от наблюдаемого излучателя к сигналу от помех является наибольшим. Иногда спектральную фильтрацию осуществляют таким образом, что максимизируется отношение сигнал/помеха на входе приемника, т. е. берется отношение потоков, приходящих от исследуемого объекта и от вредных излучателей, а спектральная избирательность приемника излучения не учитывается. Однако оптималь14*
211
ная спектральная фильтрация возможна только при одновременном учете спектральных характеристик излучателей и приемников, а т а к ж е оптических сред, расположенных м е ж д у ними. Ч а щ е всего д л я спектральной фильтрации используются 'специальные оптические фильтры, поскольку спектральная избирательность других оптических элементов прибора, а т а к ж е приемника, как правило, очень мала. Поэтому-то и возникает необходимость ввести в состав прибора специальный оптический элемент — фильтр. Выбор спектральной характеристики оптического ф и л ь т р а нельзя отрывать от выбора спектральной характеристики приемника излучения. В следующей главе приводится одна из возможных методик расчета оптимальных спектральных соотношений в ОЭП. В работе [56] д л я повышения контраста между сигналами от исследуемого источника и помехи предложено использовать фильтр с характеристикой вида М
\ « макс
^Химакс"
М
гф
( макс
V
М
\ и — М
М
\
ф
(9.46)
\ и
где Л4Хи м а к с и М 1 ф ш к с — спектральные интенсивности плотности излучения исследуемого объекта и помехи (фона) на длине волны Ям, соответствующей максимуму отношения М Х и /М ) ф < В случае применения такого фильтра контраст м е ж д у объектом и фоном на его выходе, определяемый отношением « = ]\MXudX ] ^ d X , (9.47) б Iо оказывается большим, чем для фильтра с П-образной характеристикой. Н у ж н о отметить, что для фильтрации излучения некогерентных тепловых источников в условиях мощных излучающих фонов, например неба, облаков и л а н д ш а ф та, освещенных солнцем, одной лишь спектральной фильтрации, к а к правило, недостаточно. Так, в области спектра до мкм контраст полезного сигнала и фона обычно меньше контраста помехи и фона. Другим средством спектральной фильтрации, иногда применяющимся на практике, является определение отношения двух сигналов (потоков), взятых на различные 212
участках спектра излучения объекта. В том случае, когда это отношение заранее известно, можно выделить объект, имеющий известную температуру, на фоне излучателей с другой температурой [58]. Пространственная фильтрация. Принцип пространственной фильтрации (угловой селекции) состоит в использовании различия в пространственных (угловых) размерах исследуемого объекта или его деталей и помех, на фоне которых объект наблюдается. Пространственная фильтрация осуществляется путем применения специальных пространственных фильтров (диафрагм или растров специальной ф о р м ы ) , пропускание которых согласовано с пространственной яркостной структурой объекта, т. е. с полезным сигналом в виде функции яркости или освещенности. Обычно таким фильтром является растр анализатора изображений. И з условия оптимальности h(a)=s(—а) очевидно, что д л я фильтрации полезного сигнала, осуществляемой в плоскости изображений, необходимо иметь пропускание по полю пространственного ф и л ь т р а — растра таким, чтобы оно соответствовало закону изменения освещенности в изображении объекта. Например, д л я обнаружения точечного излучателя необходимо в плоскости анализа изображения установить д и а ф р а г м у поля зрения очень малых размеров с пропусканием h ( а ) , соответствующим распределению освещенности s ( a ) в изображении точки. Поскольку в большинстве случаев вид этой функции 5 ( a ) либо трудно определить, либо он меняется д л я различных условий работы прибора, обычно применяют д и а ф р а г м у малых размеров с прямоугольным законом изменения прозрачности, т. е. с резким переходом от прозрачной части, по форме повторяющей контур изображения, к непрозрачной. Т а к а я конструкция пространственного фильтра практически очень неудобна. Д л я просмотра большого поля обзора малым мгновенным полем зрения (диафрагмой анализатора) затрачивается сравнительно большое время. При перемещении растра относительно изображения объекта поток (сигнал) модулируется. Д л я уменьшения до минимума полосы временных частот, занимаемой сигналом (для уменьшения влияния шумов), целесообр а з н а гармоническая модуляция сигнала. При использовании ж е указанной выше конструкции узкопольного пространственного фильтра, состоящего из одной про-
зрачной ячейки, при просмотре всего поля обзора будет иметь место импульсная модуляция потока с широкой полосой спектра сигнала. Достаточно хорошее приближение к непрерывной гармонической модуляции достигается при использовании растра с периодической структурой, ячейки (полупериоды) которого близки по форме и размерам к изображению объекта. Помеха д - ^ л ^ Ч
/ А VW
9 Излучатель Сигналы на Выходе приемника
ЛЛАЛ/1
Я '4 'А '4 у % '4 У У/. '4 Ул й Я #
'к я
Эквивалентная схема
Отфильтрованные электрические сигналы
WW
Рис. 61. Схема пространственной фильтрации с помощью периодического растра.
Рассмотрим в качестве примера один из распространенных способов пространственной фильтрации малоразмерного объекта — применение растра с периодической структурой (рис. 61). Этот способ позволяет провести и пространственную, и временную фильтрацию сигнала одновременно и более эффективно по сравнению с фильтром в виде только одного прозрачного участка, равного по размеру и з о б р а ж е н и ю точечного излучателя. Время просмотра поля обзора сокращается в число раз, равное числу периодов растра, т а к как вместо перемещения одной ячейки (диафрагмы) по всему полю требуется лишь сдвинуть растр на расстояние, равное размеру этой ячейки (полупериоду р а с т р а ) . З а время этого сдвига к а ж д ы й участок поля обзора подвергается просмотру. Конечно, применение такого растра имеет и ряд недостатков, например из-за большей фоновой облученности приемника, помещаемого за растром, может упасть его чувствительность. Р а з м е р ячейки растра — квадрата примерно равен размеру изображения излучателя. Приемник может быть 214
расположен непосредственно за анализатором либо после конденсора. При взаимном перемещении растра и изображения, осуществляемом либо путем перемещения растра при неподвижном изображении, либо путем переноса изображения по неподвижному растру, приемник вырабатывает импульсы, частота повторения которых определяется числом периодов растра и скоростью этого перемещения v — скоростью сканирования. Последующие электронные звенья прибора настраиваются на эту частоту модуляции. Если в поле зрения системы имеется помеха, размер изображения которой больше размера изображения наблюдаемого излучателя, то при прохождении ее изображения через растр а н а л и з а т о р а относительная величина переменного сигнала (глубина модуляции) на выходе приемника будет меняться в меньшей степени, чем при прохождении изображения излучателя, поскольку при взаимном перемещении растра и изображения помехи площадь перекрытия этого изображения прозрачными элементами растра остается почти постоянной. Из-за яркостной неоднородности помехи, а т а к ж е из-за непостоянства площади перекрытия ее изображения растром д а ж е после окончания «переходного процесса» (рис. 61) сигнал от помехи все ж е может быть переменным по амплитуде. Наиболее резкое изменение сигнала от помехи будет иметь место в моменты «прихода» изображения фона на растр и его «ухода». Эти измерения после прохождения сигнала через электрические фильтры могут вызвать срабатывание системы, что, разумеется, совершенно нежелательно. В такой системе пространственной селекции имеет место потеря 50% лучистого потока, задерживаемого непрозрачными элементами анализатора-растра. Некоторые из этих недостатков могут быть устранены с помощью многоэлементного мозаичного приемника, у которого чувствительный слой выполнен в виде отдельных независимых элементов, причем элементы, дающие выходной сигнал одинаковой полярности, расположены в шахматном порядке. Все такие элементы включены на одну нагрузку, так что мозаичный приемник сводится как бы к двум приемникам, д а ю щ и м сигналы различной полярности (рис. 62). При взаимном перемещении излучателя и приемника разнополярные элементы поочередно дают сигналы в виде импульсов; здесь амп-
литуда первой гармоники в два раза больше, чем в слу-' чае анализатора — шахматного растра. При прохождении в поле зрения прибора протяженной помехи в любой момент времени число облученных элементов, дающих сигнал одной полярности, примерно равно числу элементов, дающих сигнал другой полярности, т. е. происходит как бы взаимная компенсация ] на разнополярных соседних элементах мозаики, и результирующий сигнал от фона близок к нулю. Д л я ранее
Помеха
• Излучатель Сигналы на выходе приемника
W W I
• Отфильтрованные электрические сигналы
АЛЛА/*
+
-
+
-
+
-
+
-
+
-
-
+
-
+
-
-
+
—
+
—
+
—
+
+
-
+
-
+
+
-
+
-
-
+
-
+
+
-
+
-
+
-
+
-
-
+
-
+
+
-
-
+
-
+ + +
-
+
-
-
Эквивалентная схема ^L
ЧАЛ/Ъ
Рис. 62. Схема пространственной фильтрации с помощью мозаичного приемника излучения.
рассмотренного случая т а к а я компенсация не имеет места. Поясним это утверждение несколько подробнее. Предположим, что д л я системы, изображенной на рис. 61, в момент начала взаимного перекрытия растра и изображения помехи происходит засветка четырех элементов— двух прозрачных и двух непрозрачных. В цепи приемника возникает сигнал, амплитуда которого пропорциональна потоку, прошедшему через две прозрачные ячейки. Д л я таких ж е условий в системе, изображенной на рис. 62, возникнут как бы два сигнала — от засветки двух элементов, обозначенных через « + », и от засветки двух элементов «—». Поскольку эти сигналы имеют разный знак, то складываясь, они дают суммарный, выходной сигнал, равный нулю. В реальной схеме может иметь место некоторая асимметрия в количестве одновременно засвечиваемых разнополярных ячеек, например сразу засвечиваются два элемента « + » и один «—». Эта асим-
метрия, которая, очевидно, никогда не может быть больше одной ячейки, приводит к образованию переменного сигнала от помехи. Большим достоинством схемы с мозаичным приемником является возможность хорошего согласования нагрузки. Действительно, ввиду того, что одна половина приемника (элементы, дающие сигнал одинакового знака) служит нагрузкой д л я другой, приемник всегда согласован со своей нагрузкой. При этом согласование не зависит от изменения окружающих условий, а т а к ж е от падающего потока, что имеет место в схемах с одноплощадочными приемниками. Недостатком системы с мозаичным приемником является наличие промежутков между отдельными элементами мозаики, что снижает к. п. д. приемника. Устранение этого недостатка возможно с помощью специальных светопроводов или волоконной оптики. В плоскости изображений помещаются входные окна волокон, границы между которыми могут быть сделаны гораздо меньше, чем границы между элементами мозаики. Выходные окна светопроводов помещаются непосредственно на приемнике, при этом качество приемника улучшается и благодаря оптической иммерсии, которая легко осуществляется в такой конструкции. В общем случае применение мозаичного приемника (рис. 62) выгоднее, чем использование «шахматного растра» (рис. 61). Однако в обоих случаях селекция излучателя на фоне помех по амплитуде невозможна, если яркость помехи в пределах элементарного поля зрения, соответствующего одной ячейке растра, больше яркости излучателя. Действительно, если асимметрия числа неодинаково облучаемых ячеек каждого из этих пространственных фильтров равна единице, то д а ж е при равномерной облученности изо{5р ажения помехи Епом некомпенсированный сигнал от помехи составит Ф П ом~ ^Япом^я (здесь qn — площадь ячейки ф и л ь т р а ) , а сигнал от излучателя ФЛ~Е^Я. Если облученность Епом, создаваемая помехой, больше облученности Еи, создаваемой излучателем, т. е. яркость помехи больше яркости излучателя (в рабочем участке с п е к т р а ) , то, очевидно, Фпом>Ф и . То ж е самое происходит и при наличии в пространственной структуре помехи участков с резкими перепадами яркости, превышающими перепад яркости излучателя и фона, на котором он наблюдается.
Аналогичные рассуждения можно применить к случаю работы О Э П по отрицательному контрасту — по излучателям менее ярким, чем о к р у ж а ю щ и й их фон. В этом случае меняется лишь полярность сигналов на рис. 61 и 62. Отсюда можно сделать вывод о недостаточной эффективности рассмотренных средств амплитудной пространственной фильтрации при превышении яркости (или контраста) помех над яркостью (или контрастом) излучателей. Эти средства позволяют лишь исключить или уменьшить влияние равномерного фона, например обеспечить обнаружение малоразмерных излучателей не только ночью, но и днем на фоне неба или других протяженных фоновых излучателей. Иногда эффективная селекция излучателей возможна при одновременном использовании средств спектральной и пространственной фильтрации. В ряде случаев требуется применение селекции и по другим признакам (параметрам) сигнала. Методы фильтрации импульсных сигналов. Кратко рассмотрим некоторые методы выделения импульсных сигналов, осуществляемого в электронном к а н а л е ОЭП. Фильтрация по пороговому значению амплитуды. При обнаружении очень слабых потоков для устранения шумов фотоумножителя устанавливается порог срабатывания электронного к а н а л а по амплитуде, немного меньший, чем средний уровень импульса отдельного фотоэлектрона. Фильтрация по моменту появления отраженного сигнала. Д л я систем, работающих активным методом и следящих за объектами, дальность до которых приблизительно известна, возможно включать цепь приемника лишь в течение небольших промежутков времени, соответствующих вычисленному моменту прихода сигнала от объекта наблюдения. Остальное время приемник не работает и в электронный тракт не поступают шумы. Фильтрация с использованием двух приемников и схемы совпадения. Поток, поступающий в приемную оптическую систему, делится на две части и поступает на два приемника излучения, выходы которых подключены к схеме совпадения. Импульсы шумов приемников совпадают по времени с гораздо меньшей вероятностью, чем две разделенные в оптической системе составляющие сигнала, пришедшего извне. Эффективность такой фильтрации тем выше, чем выше степень одно-
временности прихода составляющих полезного сигнала на вход схемы совпадений. Недостатками способа являются уменьшение уровня сигнала на входе приемников в два раза из-за разделения, неэффективность по отношению к внешним шумам, а т а к ж е возможность насыщения схемы совпадения при больших уровнях шума.
Сигнал
Помеха.
Рис. 63. Структурная схема фильтрации по длительности импульсов.
Фильтрация по длительности импульсов. Если длительности полезного сигнала и сигналов от помех различны, то можно создать логическую схему, осуществляющую фильтрацию полезного сигнала (рис. 63). Выход цепи приемника излучения соединен с двумя входами схемы совпадений: с одним (а) непосредственно, а с другим (б) через линию задержки, з а д е р ж к а которой т немного меньше длительности полезного сигнала, поэтому в случае его прихода схема совпадения срабатывает. В случае прихода импульса от помехи, длительность которого меньше т, схема совпадения не срабатывает.
Другими видами фильтрации импульсных сигналов могут явиться фильтрация, основанная на представлении полезного сигнала в виде последовательности (пачки) импульсов с известными параметрами, фильтрация с накоплением и ряд др. Все они осуществляются во «временной» области сигнала, т. е. в электронном тракте прибора. Пространственная фильтрация в когерентной оптической системе. Известно [17, 45], что при использовании когерентного излучения (в когерентной оптической системе), помещая транспарант с записью какой-либо функции в передней фокальной плоскости, можно в задней фокальной плоскости получить спектр этой функции (ее преобразование Фурье). Путем использования диафрагм в задней фокальной плоскости можно ослабить или устранить те или иные гармоники этого пространственно-частотного спектра, в том числе часто ненужную и мешающую постоянную составляющую оптического сигнала. Пусть в плоскости Pi (рис. 64) имеет место двумерный сигнал — некоторое распределение (амплитуда колебания) s(a;, у). Тогда в плоскости F\(P2) образуется спектр этого сигнала 5(а» ж , соу). Если в этой ж е плоскости установлен пространственный фильтр (растр) с амплитудным распределениём прозрачности (частотной характеристикой) Л(ю х , соу), то спектр сигнала на выходе этого фильтра имеет вид: U(ax,
®у) = S ( ю * , ау)А(шх,
ш и ),
(9.48)
т. е. вводя в эту плоскость фильтр с частотной характеристикой Л(ш х , (О;/), можно вести коррекцию спектра S(cd*, coy), например устранять низкочастотные компоненты спектра. В задней фокальной плоскости второй линзы сигнал из частотного представления снова преобразуется к пространственному представлению, т. е. преобразуется по Фурье к интегралу свертки "(*'.
У')~'1
J s ( * . У)А(х—х',
y—y')dxdy. (9.49)
В нижней части рис. 64 показано, к а к с помощью пространственного фильтра в виде узкой горизонтальной щели устраняются гармоники двумерного спектра объекта — решетки, соответствующие горизонтальным 220
полосам. Восстановленное в плоскости после двойного преобразования Фурье изображение объекта не содержит горизонтальных полос. Описанный принцип пространственной фильтрации у ж е нашел практическое применение при обработке гра-
5 (х,у)
S(Ulx,iOy)A(Ux,Uij)
и(х\у)
о « « • • Л > > > ч-.'.'.'.^ч'ЛХ •» в • • •в т 4 .44 Ч Ч чччччччч: • • • • •
Рис. 64. Схема пространственной фильтрации в когерентной оптической системе.
фической информации, при выделении изображений, искаженных влиянием «смаза», зернистостью фотоэмульсии, оптических помех. Например, для выделения на фотоснимке изображения объекта, спектр которого известен, можно поместить снимок в плоскость P i (рис. 64) и осветить его когерентным излучением. В плоскости Pi (Р2) образуется спектр, состоящий из гармоник полезного сигнала (изображения объекта) и гармоник помех. П о м е щ а я в эту плоскость оптимальный для полезного сигнала фильтр, пропускающий главным образом гармоники сигнала и подавляющий гармоники помех, можно на выходе системы — в плоскости Рг по-
Лучить восстановленное изображение объекта, заметно освобожденное от вредного влияния помех. Применительно к задаче обнаружения излучателя на фоне помех достаточно эффективными могут оказаться способы корреляционной обработки, применяемые при распознавании образов [17, 45]. Входной сигнал (или его спектральное представление) одновременно или последовательно подается на набор фильтров, к а ж д ы й из которых является оптимальным (согласованным) д л я одного из возможных вариантов полезного входного сигнала. Сигнал на выходе оптического коррелятора будет иметь максимальное значение при идентичности входного воздействия и характеристики фильтра. Таким образом, по максимуму функции корреляции на выходе можно судить о наличии в поле зрения того или иного излучателя. Основной трудностью в таких системах является обычно необходимость иметь большое число эталонных согласованных фильтров в ограниченных габаритах прибора. В этом отношении большие перспективы открывает использование голограмм.
10. ОСНОВЫ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА
10.1.
О Б Щ И Е
Т И П О В О Г О
В О П Р О С Ы
Р А С Ч Е Т А
И
О П Т И К О - Э Л Е К Т Р О Н Н О Г О
П Р О Е К Т И Р О В А Н И Я П Р И Б О Р А
iB силу разнообразия как задач, стоящих перед ОЭП, так и условий их работы достаточно трудно установить строгую последовательность основных расчетов любого ОЭП. Однако анализ технического задания на прибор позволяет наметить основные расчеты, необходимые для рационального его конструирования. Некоторые тактико-технические требования известны уже на этапе постановки общей проблемы, другие определяются на последующих стадиях разработки. Уже на первом этапе разработки прибора необходимо знать характеристики его входных и выходных величин. К ним относятся: физическая природа этих величин (на входе, например, это яркость излучения объекта, на выходе—напряжение электрического сигнала); характер изменения входных величин в виде функций интересующих нас параметров (например, длины волны, времени, пространственных координат) или в виде соответствующих частотных спектров; динамический диапазон этих величин (возможные уровни изменения сигналов на входе и выходе); параметры помех и среды, в которой происходит работа прибора. Знание этих
характеристик необходимо для правильного выбора ряда параметров прибора. Всю совокупность исходных данных в начале проектирования можно разбить на несколько групп, а именно: 1) тип и основные характеристики (спектральные, временные, энергетические и т. д.) наблюдаемого или обнаруживаемого объекта; 2) параметры пространства (поля), где может находиться объект; возможные траектории его движения; диапазон дальностей; требования по точности; характеристики среды, в которой происходит работа прйбора, и т. д.; 3) общие условия эксплуатации, транспортировки и хранения; 4) максимально допустимые масса и габариты, условия размещения и стыковки ОЭП с другими приборами всего измерительного или следящего комплекса; 5) время подготовки к работе; 6) время непрерывной работы; 7) требования по надежности; 8) технико-экономические требования (себестоимость, трудоемкость и т. п.). Исходные данные из первых двух групп необходимы для проведения энергетических расчетов прибора, в результате которых определяются вероятности обнаружения объекта, значения отношения сигнал/шум, дальность действия прибора, некоторые параметры оптической системы и т. п. На их основе обычно проводятся первые этапы точностных расчетов прибора. Эти же параметры и характеристики позволяют выбрать или рассчитать вид модуляции, полосу пропускания отдельных звеньев и всего прибора. Анализ требований третьей и четвертой групп обычно сопровождается предварительным анализом технологичности будущей конструкции. Уже здесь конструктор должен предусматривать уровень развития технологии изготовления отдельных узлов прибора на момент его изготовления. Общие условия эксплуатации и хранения геодезических ОЭП часто бывают весьма жесткими. Например, перегрузки достигают нескольких g при частотах до нескольких десятков герц; диапазон температур, при которых работает прибор, составляет от —60 до +60°С и т. д. Не менее важно уже в самом начале проектирования учесть и другие перечисленные выше требования. Во многом рациональное конструирование приборов сводится к оптимальному согласованию порой достаточно противоречивых требований технического задания. Большую роль в правильной оценке возможностей прибора, особенно при изменении условий его работы, играет умение проводить типовые расчеты важнейших параметров и характеристик ОЭП, методика которых описана в последующих параграфах.
10.2.
Э Н Е Р Г Е Т И Ч Е С К И Е
О П Т И К О - Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Х
( С В Е Т О Т Е Х Н И Ч Е С К И Е )
Р А С Ч Е Т Ы
П Р И Б О Р О В
Д л я качественной работы любого О Э П важно обеспечить определенные энергетические соотношения между полезным сигналом, поступающим на вход прибора, 223
и его порогом чувствительности, определяемым обычно шумами, источники которых могут быть расположены как внутри прибора (внутренние шумы), т а к и вне его (внешние шумы, или помехи). Определение этих соотношений и на их основе некоторых важнейших параметров ОЭП (например, мощности источника, дальности действия, размера входного зрачка и д р . ) — э т о основное содержание и цель энергетических (светотехнических) расчетов. В той или иной форме энергетический расчет выполняется практически всегда, т. е. при разработке любого ОЭП. Во многих случаях энергетический расчет тесно связан с точностным расчетом прибора. Совокупность этих расчетов, как правило, служит предпосылкой для оценки осуществимости требований технического задания на прибор или весь измерительный или следящий комплекс. Основными этапами энергетического расчета являются : 1) определение потока Ф в х или облученности Евх, создаваемых полезным сигналом на входном зрачке оптической системы (на входе прибора) в рабочей полосе частот (по оптическому спектру, т. е. по v или X, а т а к ж е по спектру временных частот при модуляции потока); 2) приведение к тому ж е входу шумов (с учетом как внешних, т а к и внутренних их источников) или порога срабатывания исполнительного элемента либо индикатора, т. е. определение пороговых значений Ф П вх или Е П ьх д л я той ж е полосы частот; 3) определение требуемого соотношения между ФВх и Фпвх (или Е ъ х и Еп в х), т. е. отношения с и г н а л / ш у м т ; 4) решение полученного уравнения (основного энергетического уравнения) Ф в х / Ф п в х > » г относительно одного из входящих в него параметров прибора; 5) выбор или расчет остальных параметров конструкции; 6) окончательный (поверочный) энергетический расчет. Порядок проведения первых трех этапов может быть самым различным и при данной методике не сказывается на конечных результатах. Рассмотрим несколько подробнее к а ж д ы й из этих этапов.
Определение потока Ф в х или облученности Е в х на входном зрачке оптической системы ведется с учетом специфики работы прибора, т. е. таких факторов, как метод или режим работы (активный или пассивный), выбранный способ обзора или сканирования поля зрения, тип источника, влияние среды, фона и помех, временные (динамические) характеристики процесса слежения или измерения, осуществляемого ОЭП. Прежде всего следует найти выражение для расчета освещенности на входном зрачке оптической системы, а т а к ж е потока, приходящего в плоскость чувствительного слоя приемника или в плоскость изображения. Д л я учета пространственного распределения энергии излучателя удобно воспользоваться делением всех возможных на практике излучателей на три группы: 1) точечный излучатель; 2) излучатель конечных размеров, меньших поля зрения (иногда такой излучатель называют «площадным»); 3) протяженный излучатель, по размерам перекрывающий поле зрения системы. Любым из указанных излучателей может быть как наблюдаемый объект, так и помеха или фон. В том случае, когда излучатель является точечным, его основной фотометрической характеристикой является сила излучения I. Д л я малых телесных углов расчет потока Фвх или облученности Евх на входном зрачке площадью sBX можно вести с помощью формул вида (2.3) и (2.14), вводя в них коэффициент пропускания среды распространения излучения т с , на пути / от источника до входного зрачка, например: Фвх = ' T C / A Q ~ Е вх
=
Фвх/^вх
Тc/Sbx//2,
(10.1)
=
(10.2)
2
Тс/// .
Поток на выходе оптической системы Ф'вх-TCTo/SBX//2,
(10.3)
где то — коэффициент пропускания оптической системы. Расчет облученности на выходе оптической системы в отличие от расчета Ф' В х является достаточно сложным, поскольку для определения закона распределения освещенности в изображении необходимо учитывать его сложную аберрационную и дифракционную структуру. Если излучатель является селективным или прием излучения происходит в каком-либо участке спектра h — f o , то, зная вид функций т х = т ( Я ) и 1 ^ = 1 ( 1 ) , мож15—783
225
но легко определить значения Ф в х и Евх стка спектра. Н а п р и м е р ,
д л я этого уча-
н Следует учесть, что ф о р м у л ы (10.1) — (10.4) справедливы только д л я небольших телесных углов AQ^s B X Jl 2 , в п р е д е л а х которых сила излучения источника постоянна. В том случае, когда / я в л я е т с я функцией н а п р а в л е ния внутри телесного угла AQ, нужно учитывать з а к о н распределения силы излучения в пространстве. Для источника, о б л а д а ю щ е г о осевой симметрией, можно воспользоваться известным методом угловых коэффициентов [12, 57]. Иногда, п р а в д а довольно редко, приходится учитывать т а к ж е зависимость т с от н а п р а в л е н и я 0 или телесного угла £2. С учетом этого в общем виде в ы р а ж е н и е (10.4) можно переписать: й
х
Р а с с м о т р и м второй случай, когда излучатель конечной п л о щ а д и з а н и м а е т часть поля зрения оптической системы. Фотометрической х а р а к т е р и с т и к о й его я в л я е т с я ч а щ е всего энергетическая яркость L. Очень часто р а з м е р ы источника м а л ы по сравнению с расстоянием до него. В этом случае м о ж н о воспользоваться известной формулой д л я определения потока, приходящего на входной з р а ч о к от элемента с видимой п л о щ а д ь ю ДЛ, расположенного на оси системы [5, 57]: Ф ах = т с [ j L 6 sin 0 cos 6ДAdtycLQ. Ф 9
Здесь L 0 — яркость элемента (излучателя) в направлении б. Д л я круглого з р а ч к а пределы интегрирования по 6 берутся от 0 до U (U — апертурный угол системы), по — от 0 до 2л. В том случае, когда и з л у ч а т е л ь косинусный, например д л я черных и серых излучателей, L f l = L = c o n s t и Ф в х = т с л / А 4 sin 2 U.
(10.6)
Н а выходе оптической системы Ф'вх =
ФвхТ0=ТсТ0л1ДЛ
sin 2 и .
(10.7)
Если учесть, что для / » D B X sin 2 i / ^ D 2 B X / 4 / 2 (/ — расстояние до излучателя), то получим Ф„Х = Тс/,ДЛ5вх//* = icUD\^Aj4/».
(10.8)
Д л я этого случая облученность входного зрачка £bx=T c ZA4// 2 .
(10.9) 2
Д л я небольших телесных углов Дй 2 х: ДЛ// , в пределах которых L0 = const, Ebx=tcLAQ2.
(10.10)
Аналогично предыдущему случаю при спектральной селективности пропускания среды и излучения можно написать следующее общее выражение для потока на выходе системы: ф
'вх х,-*, = -оФвх =
) хсЛхМ*.
(10.11)
В том случае, когда источник является серым излучателем с коэффициентом излучения е х р последнее выражение с учетом следствия из закона Ламберта (M x = = tiLx) можно переписать как (10.12) >-i где Л4Х — функция Планка. Д л я других условий работы ОЭП по «площадному» излучателю приведенные формулы могут быть видоизменены. Например, при наблюдении объекта — серого излучателя в условиях, когда тсХ = t c = const, тоХ = т 0 = const и принимается практически (10.12) можно переписать:
все
излучение
Ф' вх = е ^ н Л А ^ о Г / 4 / 2 .
объекта, (10.13)
Здесь Т — температура серого излучателя. Д л я дгух рассмотренных случаев (точечный и площадный излучатели) можно отметить отсутствие явного влияния фокусного расстояния и относительного отверстия на значение потока Ф в х и облученности Esx. 15*
227
На рис. 65 приведена упрощенная схема работы оптической системы при протяженном излучателе [57]. Излучатель, находящийся па расстоянии / от входного зрачка, условно изображен плоским, д и а ф р а г м а поля зрения площадью q расположена в фокальной плоскости объектива, главные плоскости которого расположены около входного зрачка. Основной фотометрической характеристикой протяженного излучателя является его яркость L.
Рис. 65. К выводу формулы
(10.16).
Если в такой схеме соблюдается условие СО = = / t g р з > Л С = Л в х / 2 , что при больших расстояниях I до излучателя всегда имеет место, то площадь АЛ излучающего протяженного источника в основном определяется размером CD, т. е. она является проекцией площади д и а ф р а г м ы поля зрения на плоскость излучателя. Из простейших геометрических соотношений видно, что эта проекция площади равна A A = q l 2 l f ' 2 . Если теперь подставить значение АЛ в формулы (10.8) и (10.9), то получим, что для этого случая Фвх=tcLqsBxlf'2,
(10.14) 2
(10.15)
EBX=xcLqlf' . При круглой форме входного зрачка Ф ' в х — 0 , 2 5 ТсТоLnq
(£>„//')2,
(10.16)
т. е. поток, приходящий на приемник, зависит от относительного отверстия системы. Н а первый взгляд может показаться, что величины Фвх и Е в х не зависят от расстояния I до излучателя. Это верно только в том случае, когда коэффициент пропускания среды распространения потока не является функцией /. Если ж е т с = / ( / ) , например т с = ехр ( — a l ) , то зависимость Ф в х , Ф'вх и £ В х от I имеет место, хотя и не в столь явной форме, как в двух предыдущих случаях. К полученным формулам полностью применимы рассмотренные выше преобразования при учете спектральной селективности излучения, пропускания и других факторов. Например, д л я протяженного излучателя — черного тела, имеющего температуру Т, при работе прибора в спектральном диапазоне Xi—Яг можно написать Ф'вх = - f ^ у Эта формула
| Ъ Л д С Д - ' (ехр ^
-
I)"*.
(10.17)
получена
путем последовательной подстаи новки в (10.16) значений L — M[n, М— ^ M^dX и форit мулы закона Планка для величины М } . Д л я того ж е источника при работе в среде, где практически отсутствует ослабление потока (например, в космосе), с учетом закона Стефана — Б о л ь ц м а н а Ф в х ==0,25 qcT*- ф в х / П 2 (10-18) На втором этапе энергетического расчета определяется эквивалентная порогу чувствительности электронного к а н а л а облученность £ П вх на входном зрачке или эквивалентный порог чувствительности Фпвх, т. е. порог чувствительности электронного к а н а л а «приводится» ко входу прибора. Это приведение часто заключается в приведении ко входу порога чувствительности приемника Ф п (или Е„): Ф„вх = Фп/т)оэп,
(10.19)
где i j 0 3 n — коэффициент полезного действия ОЭП, методика расчета которого описана в § 10.6. Следующим этапом энергетического расчета является определение требуемого отношения сигнал/шум т . В ряде случаев, д л я так называемых систем обнаружения,
значение т может быть определено по характеристикам обнаружения — зависимостям вероятности обнаружения излучателя на фоне помех от вероятности ложных тревог. Методика такого определения т описана в [49, 58]. В других случаях, когда определены требования к точности ОЭП, ориентировочное значение требуемого отношения сигнал/шум может быть найдено из выражения т рл/оТ (10.20) где ст — допустимая средняя квадратическая ошибка измерения; р л — размер линейной зоны статической характеристики прибора (зависимости между выходным сигналом и измеренным п а р а м е т р о м ) . Величина <т на первом этапе проектирования может быть определена из расчета потенциальной точности прибора [58]. Выполнив перечисленные три этапа, можно с учетом особенностей работы прибора составить основное энергетическое уравнение системы вида Фвх/Ф П ВХ m, (10.21) подставив в него развернутые в соответствии с (10.1) — (10.18) выражения ФЕхК а к у ж е указывалось выше, если выбор априорных параметров, определяющих значения ФВх, Фпвх и т, был сделан правильно, остается лишь определить из уравнения (10.21) значение наиболее интересующего разработчика параметра прибора. В тех ж е случаях, когда неравенство (10.21) не соблюдается для выбранных или заданных условий, приходится либо решать это неравенство (уравнение) методом последовательных приближений (пример такого рода по обеспечению требуемой дальности действия прибора приведен в [10]), либо изменять структуру или параметры отдельных звеньев ОЭП, поступаясь порой требованиями технического задания. Очень часто необходимость повторения энергетического расчета связана не просто с изменением параметров реального прибора по сравнению с теми, которые предусматривались на первых этапах расчета, а с вводом в прибор специальных средств пространственной селекции на фоне посторонних излучателей. В любом случае проведение поверочного энергетического расчета после выбора конструкции всего прибора или его узлов всегда является желательным. 230
10.3.
Р А С Ч Е Т
О С Н О В Н Ы Х
О П Т И К О - Э Л Е К Т Р О Н Н О Г О
К О Н С Т Р У К Т И В Н Ы Х
П А Р А М Е Т Р О В
П Р И Б О Р А
Основное энергетическое уравнение вида (10.21) позволяет рассчитать значение одного из важнейших габаритных параметров — площади или диаметра входного зрачка объектива Dnx- В качестве примера рассмотрим случай, когда в поле зрения прибора попадает наблюдаемый излучатель, находящийся на расстоянии / и от входного зрачка системы, и помеха, находящаяся на расстоянии / п . Пусть оба они являются полными излучателями с температурами Т и и Тп соответственно. Если по условиям работы прибора необходимо, чтобы разность потоков от наблюдаемого излучателя Ф и и от помехи Ф'пом превышала в m раз порог чувствительности прибора Фпвх, т. е. энергетическое уравнение имело бы вид: ЛФ =Ф И —Фпом > т Ф п вх, то, воспользовавшись формулой (10.8), его можно привести к виду: АФ = 0,25з0 г вх (Литс „ 7 \ f l \ - Апхс п 7 \ / ' г п ) > ^ Ф п вх .
(10.22)
Здесь принималось, что расчет ведется по закону Стефана — Больцмана. Поскольку отношения видимых площадей объекта Ап и помехи Ап к соответствующим квадратам расстояний /„ и / п можно заменить телесными углами £2„ и й п , формулу (10.22) перепишем как ДФ = c D V ( Q „ 7 \ T c „ - Q J V c п) /4 > т Ф „ вх .
(10.23)
Отсюда лггко найти минимальноэ значение DBX: Dbx > 2 У т Ф п вх/о (Q„Tc
- Q„Tc
.
(10.24)
Д л я случая работы по точечному источнику без учетп влияния фона и помех при sBx=nD2BJ4 из формулы (10.4) легко получить D b x > 2 / | / т Ф п вх | it J \-JydX•
(10.25)
Совершенно аналогично могут быть найдены и другие параметры прибора. Например, минимальная необходимая для достижения заданного значения т сила излучения / точечного излучателя, наблюдаемого на протяженном излучающем фоне с яркостью может 231
быть определена из уравнения вида Д Ф
=
T
c
/ S
b x
/ /
2
-
т
с
1
ф
< 7 5 в х / / '
г
>
т Ф
п
в х ,
где все обозначения соответствуют формулам (10.14). Отсюда /> (тФпвх + хс1ф<7Sbx/Г г) (Z'/Vbx).
(10.26) (10.1) и (Ю.27)
Из простейшего анализа (10.23) очевидно, что для рассматриваемого момента времени превышение сигнала от объекта Ф п над вредным сигналом Фпом при большей яркости помехи ( 7 П > 7 „ ) может быть теоретически достигнуто при Qn3>Qn- Чтобы выполнить это требование, необходимо уменьшать что достигается вводом в систему диафрагм — пространственных фильтров, которые пропускают поток от объекта и почти не пропускают поток от помех. Этот принцип лежит в основе конструктивного осуществления угловой или пространственной селекции объектов на фоне помех (см. §9.6). Выбор мгновенного поля зрения прибора и расчет параметров пространственного фильтра могут быть проведены с использованием уравнений типа (10.23). З н а я поле обзора прибора, обычно задаваемое в техническом задании, и рассчитав мгновенное поле зрения, можно выбрать рациональные параметры сканирующей системы (см. гл. 7). Не следует забывать, что для составления энергетических уравнений вида (10.23), (10.27) необходимо ДФ и Фпвх приводить к одной полосе временных частот, т. е. учитывать возможную модуляцию сигнала. Пользуясь основным энергетическим уравнением типа (10.26), можно рассчитывать размер относительного отверстия объектива прибора DBX/f', поскольку обычно Sbx = jtZ)2bx/4. Однако это относится лишь к случаю «протяженного» излучателя. В более общем случае относительное отверстие выбирается или рассчитывается после определения фокусного расстояния объектива f — важнейшего габаритного параметра всей оптической системы. Фокусное расстояние объектива для уменьшения продольных габаритов прибора желательно выбирать небольшим. Однако этому препятствует происходящее при уменьшении fr увеличение относительного отверстия £>вх//' и как следствие ухудшение качества изображения из-за роста кружка рассеяния [см. (4.6)]. Кроме 232
того, для повышения точности измерений всегда целесообразно увеличивать / ' и потому, что при этом уменьшается погрешность измерения (слежения, наведения) из-за неточности анализирующего или отсчетного устройства, устанавливаемого обычно в фокальной плоскости объектива. Например, если цена деления отсчетной сетки, установленной в этой плоскости, равна At, то соответствующий угол Др в поле зрения прибора составит ДР"=Д*-206 265"/Р.
(10.28)
Очевидно, что по мере роста f уменьшается угловое разрешение Др. Если At— допуск на погрешность отсчетного устройства или анализатора, а Др — з а д а н н а я угловая чувствительность прибора, то f может быть найдено из
10.4.
Р А С Ч Е Т
(10.28):
Д А Л Ь Н О С Т И
Э Л Е К Т Р О Н Н О Г О Р А С Ч Е Т А
П Р И
f>Af-2062657ДР".
Д Е Й С Т В И Я
П Р И Б О Р А .
А К Т И В Н О М
О П Т И К О -
О С О Б Е Н Н О С Т И М Е Т О Д Е
Р А Б О Т Ы
Э Н Е Р Г Е Т И Ч Е С К О Г О П Р И Б О Р А
Энергетический (светотехнический) расчет является основой для проведения расчета дальности действия ОЭП. В к а ж д о м конкретном случае, зная геометрические, спектральные и энергетические параметры наблюдаемого излучателя и фона (или помех), а т а к ж е пороговую чувствительность системы, можно с помощью основного энергетического уравнения Ф в х / Ф п в х>гп
(10.29)
найти дальность действия прибора. Д л я этого необходимо подставить в это уравнение значение потока Ф в х , приходящего на вход прибора, в развернутом виде (в виде функции дальности I) и решить его относительно I. В случае пассивного метода работы по точечному излучателю без учета фона и помех, когда основное энергетическое уравнение определяется выражением вида ДФ =
T c / s b x / / ' > т Ф п вх,
(10.30)
дальность действия определяется как / < (Тс/5вх/тФпвх)1/2.
(10.31) 233
Следует отметить, что уравнения вида (10.30) не всегда можно решить достаточно просто относительно /, так к а к / входит в уравнение в большинстве случаев д в а ж д ы и притом в разной форме: в знаменатель — в форме квадрата расстояния, а в числитель — как функция прозрачности атмосферы, поскольку т0= = ехр ( — а / ) . Поэтому в таких случаях дальность часто приходится находить методом последовательных приближений. З а д а в а я с ь некоторым значением Г, подсчитывают значение функции Тс (/') и из уравнения вида (10.30), решенного относительно /, находят значение /о (нулевое приближение). З а т е м определяют т с (/о) и, подставляя его значение в уравнение (10.30), снова решают его относительно I и получают U — первое приближение к искомой дальности. "Аналогичным методом определяется /г — второе приближение к искомой дальности и т. д. Обычно первым приближением можно ограничиться. Оно, к а к правило, отличается от значения, полученного при практических испытаниях, не более чем на 25%• Большей точности здесь трудно требовать в силу нестабильности во времени величин, входящих в формулу. Л и ш ь при определении условий функционирования прибора в лаборатории, на испытательных стендах точность расчета может быть получена более высокой. При проведении расчетов дальности необходимо знать точный вид функций т х , М г и что иногда затруднительно. При работе в относительно узких спектральных диапазонах часто принимают т х = = х = const. Расчет существенно облегчается, когда излучателем является черное или серое тело с известной температурой. В этом случае можно воспользоваться формулами вида (10.11) или (10.12), (10.17) и им подобными. Рассмотрим случай активного метода работы ОЭП. П р и этом общая методика составления энергетического уравнения остается прежней (см. § 10.2). С учетом критерия работоспособности прибора (отношение сигнал/ шум, абсолютное значение потока и т. д.) определяются выражения для полезного сигнала, сигнала от помех и фона. Источником лучистой энергии, переносящей полезный сигнал, является при активном методе работы передающая оптическая система. Рассмотрим, как определяется облученность Евх или лучистый поток Ф ЕХ на входном зрачке приемной части 234
всего оптико-электронного комплекса. Пусть система работает следующим образом (рис. 66). П е р е д а ю щ а я система 1, имеющая яркость источника L', коэффициент пропускания t 0 i и площадь выходного зрачка sBblx, направляет пучок лучей на объект 2, находящийся на расстоянии U от нее. Часть потока, отраженного от объекта 2, попадает на входной зрачок sDX приемной оптико-электронной системы, находящейся на расстоянии h
дения пучком путей h и /2 могут быть различны, обозначим через Tci и тС2 соответствующие коэффициенты пропускания сред на единицу пути. Коэффициент пропускания приемной системы обозначим через т02При больших расстояниях h облученность (освещенность) в плоскости объекта £ = •£/.//»„ (10.32) где осевая сила излучения / 0 = ToiZ/sBbix. (10.33) После отражения потока объект 2 может рассматриваться как излучатель для приемной системы 3. Яркость его по направлению а La = kaPE, (10.34) где k a — коэффициент, учитывающий характер отражения потока от поверхности объекта 2 и закон изменения 235
яркости L по углу а, например для диффузного ламбертова отражателя k^ — l/т:, так как L a = L = pE/it = const, p — коэффициент отражения поверхности объекта 2. Применяя формулу типа (10.8) для потока, приходящего на вход системы от излучателя с яркостью L, можно найти лучистый поток Ф в х , поступающий на вход приемного устройства. Например, д л я площадного излучателя Ф вх = т';
LaSrSBXll\,
(10.35)
где S2 — видимая из входного зрачка площадь о т р а ж а ю щей поверхности объекта. П о д с т а в л я я в последнюю формулу значения L a и Е, выраженные в соответствии с (10.32) —(10.34), получаем Ф
"Х =
Х
с, \ 2 *0,L's Bbl x£ a PSBxS 2 //yV
(10.36)
На выходе приемной системы, как и ранее, Ф'вх=ФвхТ 0 2. Формула (10.36) для случая «площадного» излучателя имеет достаточно общий вид. В ряде конкретных применений она может быть видоизменена и порой упрощена. Например, при h —
—
ka-\J-K,
5вых = ^2ВЫХ/4, т с 1 = т с г = т с
Фвх = i * z o l t L ' D l K t x S t s n / 4 l € .
(10.37)
Отсюда дальность действия * / =VAx2c/x01pL'D%bIxS2sBX/4®BX.
(Ю.38)
Следует помнить, что при спектральной селективности излучения и пропускания необходимо учитывать спектральный характер коэффициентов т и р, а т а к ж е яркости источника L', т. е., например, формулу (10.36) для работы в спектральном диапазоне Xi—"кг можно записать в виде х, ®.xV-x. = *-*««*"*» f t ' A A W x ^ W ' » - (10.39) X, Аналогично (10.38) могут быть получены формулы и при других пространственных соотношениях, например когда объект 2 перекрывает все поле зрения приемной системы.
В ы р а ж е н и я для потоков или облученностей, создаваемых помехами или фонами, находящимися в поле зрения приемной системы, определяются т а к же, к а к и при пассивном методе работы ОЭП. В совокупности с выражениями д л я полезного сигнала, аналогичными (10.36), они служат для составления основного энергетического уравнения прибора. Особенностью энергетических расчетов при активном методе работы является необходимость учитывать соотношения между сечениями пучка в различных плоскостях, т. е. соотношения между sBbix, s 2 и sBX. Например, анализируя формулу (10.38), можно прийти к выводу [10], что при наличии вредного излучения протяженного фона более выгодно увеличивать диаметр объектива передающей системы £ > в ы х (или площадь s B b i x ) , а не размер входного зрачка приемной системы DBX. Это с физической точки зрения объясняется тем, что с увеличением s BX растет светосила приемной системы, а следовательно, увеличивается и мешающий поток от протяженного фона. При активном методе работы с целью улучшения энергетических соотношений в системе, помимо перечисленных выше мер (увеличение яркости источника, диаметра выходного зрачка передающей оптической системы и т. п.), весьма эффективным является увеличение коэффициента Это возможно только в том случае, если разработчик может изменять конструкцию объекта. Например, в оптико-электронных дальномерах широко применяются уголковые отражатели, устанавливаемые на объекте, расстояние до которого измеряется. Эти о т р а ж а т е л и (триппель-призмы) обладают свойством о т р а ж а т ь попадающий на них поток в том ж е направлении, откуда этот поток пришел. Таким образом достигается заметное повышение уровня полезного сигнала, приходящего на входной зрачок приемной системы. Кроме того, возможно уменьшить поле зрения приемной системы, что способствует уменьшению потока от протяженных фонов, снижающих пороговую чувствительность всего прибора. 10.5.
Т О Ч Н О С Т Н Ы Е
Р А С Ч Е Т Ы
О П Т И К О - Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Х
П Р И Б О Р О В
К а к и для любой следящей системы, анализ точности ОЭП проводится с учетом характерных законов изменения входной величины, т. е. при обработке постоян-
ного рассогласования, при ступенчатом его изменении, при гармонически меняющемся входном сигнале, при случайном законе изменения этого сигнала. При установившемся статическом режиме работы прибора ошибку принято считать постоянной. При отработке ступенчатых воздействий возникает переходный процесс, который накладывается на процесс воспроизведения входного рассогласования и вызывает дополнительные динамические ошибки. В устойчивых системах переходные процессы затухают. При этом нужно, чтобы они не приводили к большим динамическим ошибкам, а длительность процессов д о л ж н а быть минимальной. Динамическая ошибка в режиме переходного процесса определяется выбросом выходной величины по отношению к установившемуся значению. Длительность переходного процесса принято определять промежутком времени от начала процесса до того момента, когда выходная величина с заданным допуском приближается к установившемуся значению. Н а и б о л ь ш а я допустимая динамическая ошибка, н а з ы в а е м а я перерегулированием, задается иногда равной 10—40% от значения установившегося параметра регулирования. Обычно ж е она составляет 5 % . Точность в установившемся режиме зависит от трех основных составляющих ошибки: 1) ошибки, зависящей от структуры прибора, т. е. от типа динамических характеристик его звеньев. Сюда относятся ошибки, обусловленные тем, что ОЭП обладает какими-то пределами разрешения пространственных, временных и других величин. Например, следящая система прибора немгновенно выполняет подаваемые на ее вход команды, т а к как отдельные звенья обладают вполне определенной инерционностью. Такого рода ошибки принято называть динамическими; 2) ошибки из-за случайных возмущений. Сюда относятся ошибки, вызванные флуктуациями сигнала, помехами на пути распространения сигнала к а к до его прихода в ОЭП, т а к и при прохождении сигнала через звенья прибора. Эти ошибки называют флуктуационными; 3) ошибки из-за неточности изготовления отдельных звеньев прибора и действия нелинейностей (зона застоя двигателя, люфты, сухое трение и т. п.). Иногда эти ошибки называют приборными или инструментальными.
Такое деление во многом условно, т а к как и сами ошибки, и причины, их вызывающие, тесно связаны между собой. Однако оно удобно для анализа процесса измерения или слежения, т а к как позволяет проще наметить меры по уменьшению их влияния. Часто пути устранения этих групп ошибок являются несовместимыми. Например, чем меньше инерционность прибора, тем меньше динамические ошибки, возникающие в нем, но тем заметнее и быстрее реагирует прибор на случайные флуктуационные возмущения. И наоборот, чем лучше с г л а ж и в а ю т с я в приборе случайные ошибки, тем больше его инерционность и тем больше динамические ошибки. Кроме того, при выборе параметров прибора, оптимальных с точки -зрения уменьшения ошибок, следует помнить об устойчивости системы. В линейных непрерывных системах автоматического регулирования, к которым могут быть отнесены многие ОЭП, первая составляющая ошибки, з а в и с я щ а я от структуры прибора, может быть сведена к нулю, если закон изменения входного рассогласования имеет вид неслучайной определенной функции. Д л я этого применяются известные из теории автоматического регулирования методы выбора корректирующих звеньев прибора. Последняя составляющая установившейся ошибки зависит от качества изготовления отдельных узлов прибора. Ее уменьшение или устранение ведется обычно в процессе конструирования и изготовления прибора. Если входное рассогласование является случайной величиной, то точность в установившемся режиме определяется значением средней квадратической или предельной ошибки. Свести к нулю их невозможно, однако можно создать оптимальную систему, в которой средняя квадратическая ошибка имеет минимум. После установления характера изменений входной величины, источников погрешностей, влияющих на точность измерений, и условий работы прибора можно приступить к первому этапу точностного расчета, а именно, к расчету потенциальной точности, т. е. точности, относящейся к оптимальной системе (фильтру) и характеризующей идеализированную измерительную схему без учета структуры прибора, свойств его отдельных звеньев, инструментальных (приборных) погрешностей. Потенциальная точность зависит только от условий работы прибора и вида входного сигнала. Значение ошибки,
определяющей потенциальную точность, характеризует предельно достижимое качество измерений, а т а к ж е определяет тот предел, к которому может стремиться конструктор. Если эта ошибка превышает значение, установленное техническим заданием, то при активном методе работы О Э П следует предусмотреть возможность изменения формы сигнала, посылаемого передающей оптической системой к приемной, а в более общем случае — постараться уменьшить влияние внешних шумов и помех, например, выбрать более благоприятное время и метеорологические условия измерений. В § 9.6 была приведена достаточно общая формула (9.44) дисперсии ошчбхи измерения параметра сигнала а для аддитивной смеси сигнала и случайных нормальных помех. С помощью формулы (9.44) можно определить потенциальную точность измерения любого параметра сигнала. Например, если аргумент а является угловой величиной, а ф ш описывает пространственночастотный спектр шума на входе системы, то о2 определяет дисперсию ошибки измерения угла. Если а имеет физический смысл времени, то о 2 характеризует дисперсию ошибки отсчета времени. Соответственно ф ш в последнем случае является функцией временной частоты. В работе [49], где вывод формулы (9.44) приводится д л я случая радиолокационных дальномерных и угловых измерений, показано, что выражение (9.44) является частным случаем более общей зависимости (10.40) где Es =
+00 ^ s 2 (a) da — энергия сигнала; 1/2
+=о [S' (a)]2
Д/.=
do.
+00
— эффективная ширина спектра сигнала. Очевидно, что потенциальная точность измерения любого параметра сигнала, по которому берется производная от функции s ( a ) , зависит только от энергетиче240
ского отношения сигнал/помеха rn = 2Ejym на входе системы и эффективной ширины спектра сигнала. Формула (10.40) справедлива для любого закона распределения вероятностей и при любом отношении сигнал/ помеха, а не только для нормальных помех и больших т. После выбора предварительной структурной схемы прибора и значений основных параметров отдельных звеньев разработчик может провести расчет ошибок для переходного и установившегося режима работы оптикоэлектронной следящей системы, т. е. рассчитать динамические и флуктуационные ошибки. П р е ж д е чем приступить к этому расчету, обычно следует выполнить энергетические расчеты отдельных звеньев прибора. Например, зная мощность, необходимую для управления исполнительным механизмом, и мощность, поступающую на приемник излучения, можно определить структуру электронного к а н а л а и рассчитать значение его коэффициента усиления. Расчет динамических и флуктуационньтх ошибок позволяет выбрать оптимальную структуру прибора, его основные параметры, подобрать корректирующие звенья. Методика такого расчета приведена в литературе по теории автоматического регулирования и следящим системам. Следующим этапом точностного расчета, проведение которого необходимо после разработки реальной конструкции прибора, является расчет инструментальной погрешности, включающей динамические и флуктуационные ошибки реальных звеньев, а т а к ж е ошибки из-за неточностей изготовления и сборки этих звеньев и действия нелинейностей типа люфтов, трения и т. п. Методика расчета инструментальных (приборных) погрешностей отличается большим разнообразием, соответственно особенностям конструкции различных приборов, методам их работы, технологии производства. Тем не менее в литературе, например в [19], с о д е р ж а т с я общие рекомендации, определяющие отдельные этапы такого расчета. К ним можно отнести: 1) анализ процесса измерений, выявление источников погрешностей и составление рабочей формулы для единичного измерения; 2) разделение погрешностей на группы по законам их распределения (нормальный закон, закон Пуассона и т. д.); 16—783
241
3) определение связи частных погрешностей с конструктивными параметрами (т. е. определение коэффициентов ошибок) и с допусками на изготовление; 4) подбор коэффициентов перехода от предельных ; значений ошибок к средним квадратическим в соответствии с их законами распределения; 5) проведение общего расчета, связывающего погрешность конечного результата с частными погрешностями и через них с параметрами конструкции и допусками на изготовление отдельных узлов; 6) анализ соотношения между частными погрешностями, окончательный выбор параметров конструкции и допусков, проверка и уточнение методики измерений для уменьшения влияния систематических погрешностей; 7) проведение дополнительного расчета на максимальное влияние систематических погрешностей. Примеры расчета инструментальных погрешностей приводятся в литературе, например [19]. В том случае, если проводится изменение конструкции прибора, необходим поверочный расчет точности, т. е. возвращение к предыдущему (или двум предыдущим) этапу расчета.
10.6.
Р А С Ч Е Т
К О Э Ф Ф И Ц И Е Н Т А
О П Т И К О - Э Л Е К Т Р О Н Н О Г О
П О Л Е З Н О Г О
Д Е Й С Т В И Я
П Р И Б О Р А
Одним из наиболее важных критериев качества О Э П является его к. п. д., определяющий, к а к а я доля энергии сигнала, поступающего на вход прибора, используется для создания выходного сигнала. Этот к. п. д. т ] о э п зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются потери энергии в оптической системе, оцениваемые коэффициентом т]о, потери при модуляции и обработке модулированного сигнала, оцениваемые к. п. д. модуляции к м , наконец, потери из-за отсутствия оптимального согласования приемника с оптической и электронной системами, оцениваемые коэффициентом ricr- Таким образом, 1 1оэп =1 1 оКм1 1сг(10.41) Д л я пассивных систем под т]о обычно понимается отношение потока Фпр, приходящего на приемник, к потоку 242
ф 0 , принятому оптической системой при соблюдении одинаковых внешних условий работы приемника и оптической системы. Одинаковыми должны быть апертурные телесные углы приемника и оптической системы, пропускание среды на пути от излучателя до приемника и до оптической системы, одним и тем ж е должен быть излучатель. При экспериментальном определении г|о эти условия могут быть и неодинаковыми, но учет этого факта соответствующим пересчетом, как правило, не представляет больших затруднений. Расчет т]0 при пассивном методе работы прибора можно вести по формуле Т1о = Фп1>/ф0 = ТоКэкр.
(10.42)
Здесь То — коэффициент пропускания оптической системы, учитывающий потери потока на поглощение, а т а к ж е при отражении от оптических поверхностей; Кэкр — коэффициент, учитывающий возможную экранировку входного зрачка (а иногда и виньетирование). В общем случае , 0 = р^П (1 — р*)П(1 — а,т)'т.
(10.43)
Здесь р3 — коэффициент отражения на отражающей поверхности; N — число отражающих поверхностей; рь — коэффициент отражения на й-й преломляющей поверхности; аот — коэффициент поглощения, приходящегося на единицу пути потока в т-й среде; 1 т — длина пути потока в т-й среде. Например, для оптических систем, работающих в видимой области спектра, т 0 = 0,95 к р X Х О ^ ^ - О . Э Э ' р з ^ , где А^кр —число преломляющих несклеенных поверхностей — деталей из кронов; Л/фЛ — то ж е из флинтов; I — суммарная длина хода лучей в см. Величина кЭКр зависит от конструкции системы. Обычно кЭКр равно отношению полезной площади входного зрачка к полной его площади. Например, д л я зеркально-линзового объектива типа Максутова или Кассегрена Кзкр= Ф'1—d2)/D2, где D — диаметр входного зрачка (первого зеркала)", d — диаметр контррефлектора. При активном методе работы ОЭП необходимо учитывать, что далеко не весь поток, создаваемый излуча16*
243
телем, направляется на наблюдаемый объект. Потери лучистой энергии здесь можно описать с помощью коэффициентов использования передающей оптической системы к 0 и использования потока к п . Первый коэффициент определяется отношением потока Ф ш в пределах угла охвата (апертуры) конденсора к полному потоку, создаваемому источником Ф и : Ко = Фш/Фн.
(10.44)
Коэффициентом использования потока называется отношение той части потока Ф, которая попала на исследуемый облучаемый объект, к потоку Ф щ , т. е. к„ = Ф/Ф а , (Ю.45) причем Ф и Фш определяются обычно только из геометрических соображений, без учета модуляции, действия фильтра, среды и т. п. В общем случае к. п. д. оптической системы ОЭП, работающего активным методом, может быть вычислен по следующей формуле: 7
10ЭП= 'oi КоКцКэкр102 > (10.46) где т 0 1 и т02 — коэффициенты пропускания оптических систем передающей и приемной систем соответственно, учитывающие потери на отражение и поглощение в соответствии с (10.43). Расчет к м рассматривался в § 6.4. В реальной конструкции в силу ряда причин иногда трудно оптимально согласовать параметры приемника с п а р а м е т р а м и оптических и электронных звеньев. Этот факт можно учесть коэффициентом г]сг. Рассмотрим, чем определяется этот коэффициент. Одной из его составляющих является коэффициент Kg, учитывающий возможное несоответствие между площадью чувствительного слоя приемника и площадью сечения пучка в месте установки этого слоя Несмотря на то, что чаще всего стремятся к тому, чтобы размер сечения пучка в плоскости чувствительного слоя был меньше размеров площади приемника q, иногда все ж е приходится идти на уменьшение q по сравнению с q$ (например, исходя из необходимости уменьшить уровень шума приемника). П р и этом к д =<7/<7ф^1. Другой составляющей является коэффициент к ш , учитывающий соотношение между шумом электронной системы, приведенным к приемнику, ц ш э и собственным 244
шумом приемника и Ш п: Кш = Наконец,
следует
J (" ш 2
п
учитывать
+ И2Ш э) • тот
факт, что уровень
шума приемника на рабочей частоте модуляции и на частоте,
при которой
и*ш м )
производилась паспортизация
приемника ^ и ' ш т ] , может быть различным. В этом легко убедиться, рассматривая типовой спектр шума приемника (см. рис. 25). Это положение можно учесть с помощью коэффициента Kf = У и ' ш т / « ш м , который при белом шуме равен единице. Очевидно, что учет этих факторов необходим лишь при к д ^ 1 , к ш < ; 1 , к / ^ 1 . Совокупность к д , к ш и к/ образует коэффициент, учитывающий согласование оптической и электронной системы: Лег — КдКшК/. При расчете к. п. д. измерительных О Э П необходимо иметь в виду, что для образования полезного сигнала, превышающего в заданное число раз уровень шумов, может использоваться не весь поток, образующий изображение источника в плоскости анализа, или не весь электрический сигнал в полосе пропускания прибора, а лишь некоторая его доля. Например, в высокоточных оптико-электронных угломерах с помощью описанных в гл. 4 компенсаторов и анализаторов можно регистрировать весьма малое смещение источника по полю зрения, составляющее небольшую долю его углового размера. При сдвиге изображения относительно анализатора сигнал на выходе прибора определяется не всем потоком, создающим изображение, а лишь частью его, соответствующей изменению потока, проходящего через анализатор. Поэтому при подсчете к. п. д. прибора необходимо умножать приведенные выше коэффициенты на коэффициент, учитывающий, какую долю всего потока составляет порог чувствительности такого прибора.
10.7.
В Ы Б О Р
П Р И Е М Н И К А
И З Л У Ч Е Н И Я
Выбор приемника излучения является одним из основных этапов проектирования ОЭП. Энергетический расчет позволяет оценить требования к чувствительно-
сти приемника, предварительно оценить правильность выбора рабочего диапазона спектра и, следовательно, требования к спектральной характеристике приемника излучения. Применяемая в настоящее время система параметров и характеристик приемников позволяет достаточно полно описать их свойства, учесть различия между отдельными видами приемников, определяемые различием физических принципов их работы, сравнить приемники между собой. Как правило, основными параметрами и характеристиками, которые приходится учитывать на первом этапе выбора приемника, являются: спектральная чувствительность, порог чувствительности или способность к обнаружению, постоянная времени, размеры чувствительного слоя, а также габариты и масса приемника, потребляемые мощность и напряжение питания, энергетические, фоновые и температурные характеристики, учитывающие условия работы приемника. Д л я выбора одного приемника из нескольких важно установить, для какого из них спектральная характеристика чувствительности наилучшим образом согласована со спектром излучения источника и пропусканием среды распространения излучения. Предварительный выбор спектрального диапазона работы прибора может зависеть от того, какие приемники излучения находятся в распоряжении разработчика, от заданных условий работы прибора, от типа излучателя и некоторых других факторов. В соответствии с формулами, приведенными в § 10.2, потоки, приходящие от наблюдаемого источника и от фоновой помехи на приемник, определяются выражениями: (Ю-47) X. х, Ф ф ^ - ^ j v V t t ,
(10.48)
где Sn3n — видимая площадь наблюдаемого источника; — видимая площадь фоновой помехи; sBX — п л о щ а д ь входного зрачка; I — расстояние от источника до входного зрачка; т х —коэффициент пропускания среды,
в которой работает прибор (например, атмосферы), для простоты изложения примем, что и для наблюдаемого источника, и для фоновой помехи этот коэффициент одинаков; т]0 — к. п. д. оптической системы (считаем его здесь постоянным в диапазоне Я1—Х2). Н а п р я ж е н и я на выходе приемника, соответствующие Ф„ и Фф, определяются из выражений У, = (10.49) U
иъ = Кг
xM\bdx-
( 10 - 50 )
Здесь = s x [ s x m и М \ = M J M l m — относительные значения спектральных характеристик приемника и излучателей. Постоянные Ki и К2 не зависят от длины волны излучения, они включают в себя, главным образом, параметры излучателей и оптической системы (яизл, ?илл, £ф, U, sbx, а т а к ж е некоторые параметры приемника лучистой энергии, например его максимальную спектральную чувствительность s X m t Значения интегралов в выражениях (10.49)" и (10.50)' можно легко найти, используя простейшие графоаналитические методы. Д л я этого в одном масштабе и в относительных единицах нужно построить зависимости М V \ф й А. Затем следует построить кривые \ s \ M ' r j i и и найти их площади Qи и фф в предварительно выбранном диапазоне Я, — Хг. Если на одних и тех ж е графиках произвести^построение s \ не для одного, а для нескольких приемников, то сравнивая отношения площадей Q„ и (?Ф для этих приемников, можно выбрать из них оптимальный с точки зрения спектральных соотношений в диапазоне Я1— Выбрав заранее диапазон Xi—hi, можно, еще не выбирая приемник, найти спектральную характеристику пропускания оптимального фильтра (см. § 9.6) и с ее учетом производить выбор приемника по изложенной выше методике. П р и этом имеется возможность сразу ж е рассчитать напряжения сигналов от наблюдаемых объектов и от помех и фонов и найти величину отношения сигнал/помеха т = г/и/Мф- Следует отметить, что 247
значение т не зависит от абсолютных значений максимальной чувствительности приемника к монохроматическому излучению 5 > т > Очень часто отношение'сигнал/помеха меньше единицы, что объясняется обычно превышением яркостной температуры фона или помехи над температурой источника, т. е. превышением М ) ф над M w Это превышение не удается компенсировать только выбором оптического фильтра, поэтому приходится применять и другие методы, например пространственную фильтрацию (см. г л . 9 ) , использующую различие в размерах источника и фона. Если в условиях работы прибора преобладают внутренние шумы (обычно шумы приемника), то отношение сигнал/помеха т^1)оэпФи/Фп,
где ®
n
=VW.ID*
(10.51)
[см. (5.17)].
Отсюда следует, что для увеличения т целесообразно уменьшать площадь приемника q. Однако такое уменьшение обычно связано с уменьшением поля зрения прибора, поскольку если приемник расположен в фокальной плоскости, его размер определяет линейное поле зрения объектива (см. рис. 11). Отсюда очевидна необходимость согласования параметров приемника и оптической системы. Энергетические соотношения, рассчитываемые для оптической системы по методике, изложенной в § 10.2 и 10.3, т а к ж е д о л ж н ы быть согласованы с рядом параметров и характеристик приемника. К ним, в первую очередь, относятся порог чувствительности или регистрирующая способность приемника, а т а к ж е его интегральная чувствительность. Порог чувствительности, определяющий минимальный необходимый поток, поступающий на чувствительный слой приемника, во многом определяет требования к таким параметрам оптической системы, как диаметр входного зрачка, коэффициент пропускания оптики, светосила объектива и т. д. Связь между ними может быть легко установлена, если получено основное энергетическое уравнение ОЭП (см. § Ю.2). Сопоставление потока (или облученности), приходящего на чувствительный слой приемника от излучателей, находящихся в поле зрения прибора, с энергетиче248
ской характеристикой приемника позволяет учесть возможные изменения интегральной чувствительности и порога чувствительности при изменении облученности приемника. При этом следует учитывать не только полезный сигнал, но и потоки от фона и помех, поступающие на приемник, т. е. и его фоновую характеристику. Отдельно могут быть учтены временные соотношения, имеющие место в ОЭП. Д л я быстродействующего прибора временная зависимость, х а р а к т е р и з у ю щ а я излучение источника, д о л ж н а быть согласована с постоянной времени приемника, частотой модуляции и полосой пропускания электронного тракта. К а к правило, оптические элементы не вносят ощутимых временных искажений в передаваемый сигнал. В любом ОЭП в а ж н о обеспечить соответствие выходного апертурного угла оптической системы допустимым значениям углов падения лучистого потока на чувствительный слой приемника. Поглощение квантов излучения зависит от угла падения потока, поэтому у большинства приемников излучения чувствительность довольно заметно уменьшается с увеличением этого угла. Так, у сернисто-свинцовых фоторезисторов уже при угле падения потока в 30° вольтовая чувствительность уменьшается на 40—50%- Применение иммерсионных приемников способствует решению задачи сохранения высокой чувствительности при увеличенных апертурных углах. О согласовании приемника излучения с электронным каналом говорилось выше (см. § 8.2). Выбирая спектральный диапазон, оценивая соответствие чувствительности различных приемников требованиям, проистекающим из энергетического расчета, наконец, оценивая оптимальность согласования параметров и характеристик приемников и других звеньев прибора, разработчик не д о л ж е н з а б ы в а т ь об условиях эксплуатации прибора. Это особенно в а ж н о д л я полевых приборов и приборов, устанавливаемых на летательных аппаратах, где требуется высокая надежность приемника, стабильность его параметров во времени и в сложных метеорологических условиях, малые масса и габариты как самих приемников, т а к и источников питания, о х л а ж д а ю щ и х устройств и т. п. Очевидно, что только приемник, удовлетворяющий всем перечисленным требованиям, а т а к ж е и другим, специфичным д л я
каждого конкретного ОЭП, и является оптимальным д л я использования его в составе этого прибора. В настоящее время отечественная промышленность освоила выпуск приемников излучения большой номенклатуры, что дает возможность достаточно широкого их выбора д л я самых различных практических применений.
10.8.
С Р А В Н И Т Е Л Ь Н А Я
О П Т И Ч Е С К И Х В
О Ц Е Н К А
С И Г Н А Л О В .
О П Т И К О - Э Л Е К Т Р О Н Н О М
В Ы Б О Р
Н Е К О Т О Р Ы Х Р А Б О Ч И Х
В И Д О В
М О Д У Л Я Ц И И
Ч А С Т О Т
М О Д У Л Я Ц И И
П Р И Б О Р Е
В гл. 6 были кратко рассмотрены виды модуляции сигнала, наиболее часто используемые в ОЭП. Н у ж н о отметить, что в настоящее время предпочтение отдается амплитудной модуляции оптического сигнала, р е ж е используется время-импульсная модуляция и очень редк о — частотная и ф а з о в а я . При амплитудной модуляции спектр сигнала значительно уже, чем при время-импульсной или частотной. Поэтому возможно уменьшить полосу пропускания усилителя, а следовательно, снизить уровень шумов, при этом о б н а р у ж и т е л ь н а я способность прибора увеличивается. Системы с амплитудной модуляцией проще в конструктивном отношении, в них легче варьировать формой растра, чтобы приблизиться к условиям оптимальной пространственной фильтрации, легче «разнести» несущую и у п р а в л я ю щ у ю частоты при двухкратной модуляции (см. § 6.1). Однако к. п. д. амплитудной модуляции невысок. Ч а щ е всего амплитудная модуляция осуществляется путем периодического перекрытия (обтюрации) потока, что приводит к большим потерям мощности сигнала. Одним из основных недостатков этого вида модуляции является зависимость информационного параметра сигнала — его амплитуды не только от измеряемого рассогласования (угла или расстояния), но и от изменения амплитудных параметров и характеристик излучателя, среды распространения .излучения, приемной системы (яркости источника, коэффициента пропускания атмосферы, чувствительности приемника и др.). Д л я борьбы с этими нежелательными явлениями приходится заметно усложнять процесс измерения и сам прибор, например, вводить в оптическую схему компен-
саторы, в электронный канал — систему автоматической регулировки усиления (АРУ) и т. п. В отличие от приборов или систем, где используется амплитудная модуляция (AM), в приборах с частотной (ЧМ) или фазовой модуляцией удается проще получить стабильную зависимость выходного сигнала от входного рассогласования при изменении амплитудных параметров отдельных звеньев измерительного комплекса и среды. Если в таких системах используется оптический растр в качестве модулятора, то потери энергии здесь меньше, а к. п. д. модуляции выше. Однако при малых сигналах (близких к порогу чувствительности) и сравнительно большой полосе пропускания электронного канала, которая здесь н у ж н а из-за более широкого спектра сигнала, в системах с частотной модуляцией могут возникнуть биения шума с сигналом. При этом отношение сигнал/шум снижается. Причина этого состоит в сближении по спектру гармоник несущей частоты и частоты управления. Конструкция частотных модуляторов Ч М сложнее конструкции модуляторов AM. В частности, трудно совместить функции модулятора и пространственного фильтра в одном растре. При выборе вида модуляции следует учитывать, что реально легче получить меньшую полосу пропускания в системах с малым полем зрения. Кроме того, при малом поле зрения достигается большее отношение сигнал/шум благодаря уменьшению количества лучистой энергии, попадающей в систему от посторонних, вредных излучателей. Последний фактор является одним из основных при выборе время-импульсной (фазоимпульсной) модуляции. Обычно модулятор при этом представляет собой узкую щель (прямолинейную, спиральную и др.), сканирующую большое поле зрения прибора. Спектр сигнала при время-импульсной модуляции широк. Выбор полосы пропускания электронного к а н а л а определяется, с одной стороны, стремлением увеличить к. п.д. б л а г о д а р я пропусканию большего числа гармоник в спектре полезного сигнала, а с другой — стремлением сузить эту полосу, чтобы пропустить меньшую мощность шумов. Увеличение полосы пропускания электронного тракта является, пожалуй, главным недостатком систем с время-импульсной модуляцией. В то ж е время можно отметить такие их достоинства, как возможность использования про-
странственной селекции, снижение уровня фоновой засветки на приемнике излучения, возможность использования методов фильтрации импульсных сигналов, принятых в электронике (см. § 9.6). Указанные факторы, а т а к ж е конкретные условия, из которых исходит разработчик, позволяют на первом этапе проектирования выбрать предварительно тот или иной вид модуляции сигнала. З а т е м необходимо приступить к выбору частотного диапазона работы прибора, к выбору рабочих частот модуляции. Н а этот выбор оказывает влияние большое число разнообразных условий. К основным из них относятся: динамические характеристики и параметры оптико-электронной следящей системы ( О Э С С ) ; временно-частотные характеристики полезного сигнала, фоновых помех и внутренних шумов системы; пространственно-частотные характеристики и пространственные (геометрические) параметры полезного сигнала, фона и самой ОЭСС; энергетические соотношения. Все эти факторы в равной степени важны и часто находятся в тесной взаимосвязи. Рассмотрим их несколько подробнее. Динамические характеристики и параметры ОЭСС. Информация о пространственном положении наблюдаемого излучателя д о л ж н а выдаваться ОЭСС с частотой, определяемой требованиями всего следящего или измерительного комплекса. Иногда в технических требованиях задается полоса пропускания системы, иногда ее постоянная времени. Связь между ними общеизвестна, хотя «эффективная полоса пропускания» и обратная ей величина «постоянная времени» следящей системы в ряде случаев вычисляются или задаются по-разному. Ширина полосы пропускания системы Д/ определяет частоту управления / у (частоту огибающей при двухкратной амплитудной модуляции). Д л я повышения быстродействия всего комплекса целесообразно расширять Д/, т. е. увеличить / у . Временно-частотные (частотные) характеристики полезного сигнала, фона, внутренних помех. Лучистый поток, испускаемый исследуемым объектом (визирной целью), иногда может быть модулированным. Например, поток от лампы накаливания, питающейся от сети переменного тока, модулирован по амплитуде с двойной частотой цепи питания. Если параметры этой модуляции
не удовлетворяют разработчика, то приходится дополнительно модулировать сигнал, причем первичную (от сети питания) модуляцию необходимо учитывать. Например, если амплитудная модуляция потока, испускаемого лампой накаливания с частотой 100 Гц, не удовлетворяет разработчика из-за малой глубины модуляции и низкой частоты, то дополнительный модулятор, создающий колебания несущей частоты f„, должен модулировать поток со значительно большей, чем 100 Гц, частотой, а полоса пропускания системы не д о л ж н а включать в себя основные гармоники естественным образом модулированного сигнала (т. е. в первую очередь 100 Гц). То ж е самое можно с к а з а т ь и о фоне (фоновых помехах), если его излучение по какой-либо причине модулировано. Очевидно, что рабочие частоты модуляции полезного сигнала / н и сигнала от фона /ф (спектры сигналов от объекта и от ф о н а ) д о л ж н ы быть разнесены. Вообще, / н г д е п — номер той гармоники сигнала от фона, которая еще заметно ухудшает отношение сигнал/шум. В тех случаях, когда порог чувствительности ограничивается внутренними помехами (шумами отдельных звеньев системы), выбор частотного диапазона и частоты модуляции (несущей частоты) должен производиться с учетом спектра этих помех. Так, для уменьшения шумов приемника излучения, имеющих l/f-спектральное распределение, целесообразно использовать область высоких частот. Д л я уменьшения влияния этих шумов всегда целесообразно уменьшать полосу пропускания системы до пределов, определяемых спектром полезного сигнала и требованиями динамики всей следящей системы. Однако это далеко не всегда удается, например, из-за нестабильности параметров модулятора, особенностей выбранного вида модуляции и т. д. П рострачственно-частотные характеристики и пространственные (геометрические) параметры полезного сигнала, сигнала от фона и самой ОЭСС. З а д а н н ы е величины полей обзора, полей зрения, форма и размеры наблюдаемых излучателей и фонов, а т а к ж е возможности оптической системы по пространственному разрешению излучающих объектов определяют в совокупности с конструктивными требованиями размеры всего растра анализатора и отдельных его элементов (элементарное
поле зрения), а часто форму этих элементов и закон их распределения по растру. При заданных поле зрения и скорости его просмотра (или угловой скорости линии визирования) в большинстве практических случаев можно определить необходимую частоту его просмотра, которая находится обычно в строгом соответствии с частотой управления. В простейшем случае, когда растр анализатора имеет один пространственный период (вращающийся полудиск, сканирующая щ е л ь ) , эти частоты равны. Если поле зрения определяет размер всего растра и тем самым частоту управления, то р а з р е ш а ю щ а я способность оптической системы определяет минимально возможный размер его элемента. Таким образом, соотношение между частотой управления / у и несущей частотой fa определяется и тем, как много элементов (периодов) растра размещается по всей его площади. Наиболее полно соотношение между / у и / и определяется в этом случае по известным пространственно-частотным характеристикам фоновых помех, наблюдаемых излучателей, оптической системы и растра. Выбор достаточно оптимальных соотношений между / у и fB может быть выполнен аналогично рассмотренному выше примеру для временно-частотных спектров фона с учетом передаточных функций (частотных характеристик) оптической системы, включая растр и приемник, т. е. пространственно-частотные спектры сигнала (используемая в системе часть этого спектра) и фона должны быть разнесены. Энергетические соотношения. Используя не весь спектр полезного сигнала, а лишь часть его, мы, естественно, теряем энергию сигнала и можем ухудшить отношение сигнал/шум на выходе системы по сравнению со входом. К а к известно, эти потери можно учесть с помощью к. п.д. модуляции, значение которого зависит от вида модуляции и полосы пропускания системы. Р е ш а я общее энергетическое уравнение относительно к. п. д. модуляции, можно ориентировочно установить его требуемое значение, после чего выбрать вид модуляции и полосу пропускания, обеспечивающие это значение. Основная трудность здесь состоит в неопределенности (незнании на первом этапе расчета) ряда параметров и факторов, определяющих вид энергетического уравнения.
Рассмотрев отдельные факторы, определяющие выбор частотного диапазона и рабочих частот, можно наметить основные пункты достаточно общей методики такого выбора. 1. Исходя из требований к динамике всего прибора выбирается частота управления fy. Увеличивать ее целесообразно для повышения быстродействия системы, а т а к ж е для устранения влияния низкочастотных помех, обычно внутренних, например виброшумов. При наличии фоновых помех, как правило, приходится использовать более сложный вид модуляции, чем однократная амплитудная модуляция, т. е. дополнительно модулировать полезный сигнал. Основную гармонику этой модуляции (несущую частоту) обозначим через fB. В таком случае увеличению / у препятствуют требования возможно большего разнесения («разноса») / н и / у , поскольку / н может иметь строго определенный и небольшой верхний предел. Этот разнос, как было сказано выше, определяется спектрами сигнала и помех, а т а к ж е параметрами конструкции системы. Нежелательно увеличение / у и по той причине, что ширина полосы пропускания по несущей Af a прямо пропорциональная / у . Полоса пропускания по частоте управления Дf v i выбирается исходя из заданной постоянной времени т; о э п всего прибора, так как A f y r ^ l / t 0 3 n . 2. Анализируя пространственно-частотные характеристики наблюдаемого объекта, фона, оптической системы, спектр внутренних шумов, временно-частотные характеристики излучения наблюдаемого объекта и фона, частотную характеристику приемника, можно выбрать значение несущей частоты. К а к правило, знание спектров сигнала и помех помогает выбрать правильный разнос /н и f7, т. е. /н=р/у> где р— номер гармоники полезного сигнала в той области спектра, где слабо сказываются или вообще отсутствуют гармоники сигнала от фона. При увеличении / н обычно уменьшается влияние внутренних шумов, в первую очередь шумов приемника излучения, уменьшаются при этом и ошибки фазовых измерений (уменьшаются ошибки из-за биения fH и / у ) . Сверху /н обычно ограничивает постоянная времени приемника, а т а к ж е соотношение между размерами поля зрения и размерами элемента растра, т. е. р а з р е ш а ю щ а я способность оптической системы.
3. Полоса пропускания по несущей А/н д о л ж н а выбираться из энергетических соотношений в соответствии с выбранным видом модуляции и требуемым к. п. д. модуляции. При уширении Д/н увеличивается доля используемого полезного сигнала, но одновременно возрастает влияние внутренних шумов. Очевидно, что А/ н Превышение Д/н над / у уменьшает влияние нестабильности модулятора и погрешностей его конструкции. 10.9.
К Р А Т К И Е
С В Е Д Е Н И Я
О П Т И К О - Э Л Е К Т Р О Н Н Ы Х
О
Н А С Т Р О Й К Е
И
И С П Ы Т А Н И Я Х
П Р И Б О Р О В
Оптико-электронные приборы, применяемые в геодезии, аэрофотосъемке и картографии, можно разделить на лабораторные и полевые. Л а б о р а т о р н ы е приборы работают в стационарных условиях, к ним, как правило, возможен постоянный доступ. Условия работы лабораторных приборов гораздо легче, чем полевых. Последние подвергаются гораздо большим перепадам температуры, давления, влажности; они часто транспортируются на значительные расстояния, подвергаются большим механическим нагрузкам, работают в условиях вибраций и других вредных факторов. По этим причинам разработчик О Э П у ж е в самом начале проектирования должен учесть возможные условия его эксплуатации, включать в состав прибора только работоспособные в этих условиях элементы и предусмотреть необходимые юстировки прибора. В оптическом приборостроении накоплен достаточно богатый опыт настройки и испытаний как отдельных узлов, т а к и прибора в целом. Однако к О Э П он не всегда применим, что объясняется главным образом тем, что большинство методов юстировки и настройки оптических приборов являются визуальными, а О Э П работают и в невидимом участке спектра. По этой причине при конструировании О Э П приходится особенно тщательно согласовывать между собой параметры отдельных его узлов, подбирать элементы с достаточно стабильными значениями параметров и характеристик. Особое внимание уделяется испытаниям таких узлов ОЭП, как оптическая система, приемник излучения и электронный тракт. Они проверяются и настраиваются по большому числу параметров и характеристик сначала отдельно друг от друга, а затем при сборке всего при-
бора происходит их взаимная юстировка. Именно от качества этих узлов зависят такие важнейшие характеристики ОЭП, к а к дальность действия и точность измерения угловых или линейных величин. При испытаниях и настройке ОЭП приходится пользоваться объективными (невизуальными) методами контроля. Например, для определения положения плоскости наилучшей установки объектива, в которой изображение удаленного источника имеет наименьшие размеры и куда следует помещать анализатор изображения или пространственный фильтр, можно воспользоваться следующей методикой. Вдоль оптической оси испытуемого объектива перемещают модулирующий растр, размер прорези которого приблизительно равен размеру изображения удаленного точечного источника. При нахождении модулирующего растра в плоскости наилучшей установки глубина модуляции потока максимальна. С помощью индикатора, например осциллографа, подключенного к выходу цепи приемника, который помещается непосредственно за растром, определяют момент достижения максимума выходного сигнала, т. е. положение плоскости наилучшей установки. Аналогично осуществляется автоматическая фокусировка некоторых объективов. Предварительно установив вдоль одной оси — оси коллиматора испытательного или юстировочного стенда — в специальных вращающихся оправках объектив и приемник с растром и вращая один из этих элементов вокруг своей собственной оси, можно по спектру сигнала определить, а затем и устранить взаимную децентровку объектива и приемника, т. е. несовпадение их осей. При определении качества оптического изображения, создаваемого объективом, размера и формы изображения, разрешающей способности оптической системы также используются объективные методы — сканирование изображения узкой щелью или оптической полуплоскостью, определение частотно-контрастной характеристики [27, 58]. Испытания приемников излучения, методы определения их основных параметров и характеристик достаточно полно описаны в литературе [27, 35, 50] и здесь не рассматриваются. Важно отметить, что при сборке и юстировке ОЭП необходимо обеспечить то же согласование параметров и характеристик оптической системы, приемника излучения и электронного тракта, что и при его расчете и конструировании [58]. Для проверки работоспособности приборов в целом проводится несколько видов их испытаний. Опытные образцы подвергаются предварительным (заводским) испытаниям и государственным испытаниям. Серийные образцы подвергаются приемо-сдаточным испытаниям, имеющим целью проверить соответствие каждого образца требованиям технических условий и конструкторской документации, а также периодическим и проверочным испытаниям. Последние проводятся в случае изменений конструкции прибора. Во время предварительных испытаний приборы исследуются на устойчивость к механическим воздействиям (вибрации, удары, линейные перегрузки) и климатическим воздействиям (цикличное изменение температуры, нагрев, охлаждение, воздействие влаги, перепады давления, пыль и др.), а также на прочность (вибропроч17—783
257
ность, ударная прочность и др.). Здесь же проводятся электрические испытания изоляции и некоторые другие виды испытаний. Очень важными являются испытания на долговечность и надежность, определяющие способность приборов работать в течение заданного срока эксплуатации, сохраняя свои параметры и характеристики в допустимых пределах. Общие сведения об этих испытаниях приведены в [27]. Всем этим видам испытаний могут подвергаться не только приборы в целом, но и отдельные их элементы и узлы: приемники излучения, оптические системы, двигатели и т. д. После проведения отдельного испытания или группы испытаний проверяются основные параметры и характеристики ОЭП, а иногда отдельных наиболее важных его узлов. В качестве примера рассмотрим, как экспериментально определяются такие важные для приборов геодезического назначения параметры, как энергетический порог чувствительности, от которого во многом зависит максимальная дальность действия и точность измерения расстояний, и угловая чувствительность, определяющая угловое разрешение прибора. Как было показано в § 10.4, дальность действия ОЭП определяется из основного энергетического уравнения. Для его решения необходимо знать порог чувствительности прибора Ф п вх, который может быть легко определен в лабораторных условиях следующим образом. На некотором расстоянии I от испытуемого прибора устанавливается эталонный излучатель — имитатор источника (или визирной марки), по которому прибор работает в реальных условиях эксплуатации. Фотометрические характеристики этого имитатора известны, что позволяет рассчитать поток или облученность на входном зрачке испытуемого прибора. Желательно, чтобы форма и размеры изображения излучателя в плоскости изображений объектива прибора были такими же, что и в реальных условиях эксплуатации. При выключенном или закрытом излучателе и полностью включенном испытуемом приборе сигнал на его выходе и ш определяется лишь внутренними шумами и фоновыми внешними помехами. Если теперь включить (или открыть) эталонный излучатель, то на вход прибора начнет поступать полезный сигнал. Изменяя либо расстояние /, либо площадь излучателя, или помещая на пути от излучателя до прибора нейтральные светофильтры, можно менять амплитуду выходного полезного сигнала ис до тех пор, пока отношение т— =ис1иш не станет таким, при котором обеспечивается надежная работа прибора. При соответствующих этому экспериментально полученному значению т параметрах схемы по формулам типа (10.1), (10.8), (10.14) легко рассчитать поток, -приходящий на входной зрачок прибора, т. е. порог чувствительности прибора Ф п вхЭкспериментальное определение Ф п вх сопровождается, как правило, его расчетом по известным параметрам конструкции отдельных звеньев прибора. При всех испытаниях прибора следует стремиться обеспечить те геометро-оптические, спектральные и другие условия, которые будут иметь место при работе в реальных условиях. Так, фон, на котором должен работать прибор, должен имитироваться при этих испытаниях. Иногда имитируют лишь некоторый осредненный уровень фона путем создания постоянной засветки на входном зрачке прибора, реже имитируют неравномерный («пестрый») фон. Вообще же имитация реальных условий (спектров излучателя и фона, их
пространственных размеров и других характеристик) часто представляет основную трудность при испытаниях ОЭП. Иногда наиболее трудно имитировать спектральные характеристики излучателя и фонов и приходится пересчитывать параметры прибора, полученные при эксперименте, к реальным рабочим условиям. Методика пересчета некоторых параметров описывалась в § 5.4. ' Д л я определения порога угловой чувствительности ОЭП — минимального значения угла рассогласования, которое он может почувствовать и зафиксировать, можно воспользоваться многократным наведением прибора на удаленную визирную .марку с последующей обработкой результатов измерений [7], имеющей целью выяснить среднюю квадратическую ошибку наведения. Эта ошибка во многих случаях достаточно полно характеризует порог угловой чувствительности прибора. Однако для оценки качества многих оптико-электронных угломеров требуется знание пеленгационной (статической) характеристики — зависимости выходного сигнала от угла рассогласования по всему полю зрения. Определение пеленгационной характеристики можно проводить различными путями. Возможно последовательное наведение прибора на ряд излучателей, угловые координаты которых известны. Другой способ заключается в использовании поворотных оснований, снабженных отсчетными устройствами (лимбы гониометров, геодезических инструментов и др.). Одним из наиболее простых и точных является способ поступательного перемещения удаленного излучателя [57]. При этом способе имитатор точечного излучателя, удаленный от прибора на расстояние L, перемещается с помощью микрометренного механизма перпендикулярно оптической оси объектива прибора. Очевидно, что линейное перемещение на I (при 1
ПРИЛОЖЕНИЕ П Р И М Е Р Н Ы Й И
П Е Р Е Ч Е Н Ь
П Р А К Т И Ч Е С К И Х
« О С Н О В Ы
Р А Б О Т
Л А Б О Р А Т О Р Н Ы Х П О
К У Р С У
О П Т И К О - Э Л Е К Т Р О Н Н О Г О
П Р И Б О Р О С Т Р О Е Н И Я »
1. Ознакомление с образцами оптико-электронных угломеров и дальномеров 2. Определение основных параметров оптических квантовых генераторов 3. Исследование оптической системы оптико-электронного прибора 4. Измерение параметров и характеристик приемников излучения 5. Позиционно-чувствительные приемники излучения 17*
259
6. Графоаналитический метод выбора приемника излучения 7. Виды модуляции, используемые в оптико-электронных приборах 8. Исследование модулятора лучистого потока 9. Исследование типового электронного к а н а л а оптикоэлектронного прибора 10. Определение к. п. д. оптико-электронного прибора 11. Энергетический расчет оптико-электронного прибора 12. Расчет дальности действия оптико-электронного прибора 13. Определение энергетического порога чувствительности оптико-электронного прибора 14. Снятие пеленгационной характеристики оптико-электронного угломера
С П И С О К
Л И Т Е Р А Т У Р Ы
1. Адрианова И. И., Нестерова 3. В., Попов Ю. В. Точное измерение расстояний светолокационным способом с помощью СВЧ модулированного света. — «Оптико-механическая промышленность», 1967. № 5. 2. Аксененко М. Д., Красовский Е. А. Фоторезисторы. М., «Сов. радио», 1973. 3. Аллен К. У. Астрофизические величины. Пер. с англ. Под ред. Д. Я. Мартынова. М., ИЛ, 1960. 4. Артемьев В. В. Фотоэлектрические счетчики фотонов. — «Оптико-механическая промышленность», 1974, № 1. 5. Бегунов Б. Н., Заказное Н. П. Теория оптических систем. М., «Машиностроение», 1973. 6. Белоглазов И. Н., Тарасенко В. П. Корреляционно-экстремальные системы. М., «Сов. радио», 1974. 7. Большаков В. Д. Теория ошибок наблюдений с основами теории вероятностей. М., «Недра», 1965. 8. Брамсон М. А. Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых тел. М., «Наука», 1964. 9. Бэттвейлер Т. Оптимальные модуляционные характеристики инфракрасных систем при AM и ЧМ. — «Зарубежная радиоэлектроника», 1962, № 4. 10. Вафиади В. Г. Фотоэлектрическая автоматика. Минск, «Высшая школа», 1966. 11. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М., «Наука», 1969. 12. Волосов Д. С., Цивкин М. В. Теория и расчет светооптических систем. М., «Искусство», 1960. 13. Воронин В. Г., Гребнев А. К., Кривоносое А. И. Схемы автоматики с фоточувствительными и излучающими полупроводниковыми приборами. М., «Энергия», 1972. 14. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., «Сов. радио», 1966. 15. Горбач Т. ?.. Кролепец К. М. Продольный фотоэффект при больших освещенностях. — «Радиотехника и электроника», 1962, т. 7, № 6 16. Горохов В. А. Работа фотодиодов в вентильном режиме. В кн.: Полупроводниковые приборы и их применение. Под ред. Я. А. Федотова. Вып. 7. М.. «Сов. радио», 1961. 17. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. Пер. с англ. Под ред. Г. И. Косоурова. М„ «Мир», 1970. 18. Елизаренко А. С. Применение оптико-механических компенсаторов в оптико-электронных углоизмерительных приборах. — «Изв. вузов СССР. Геодезия и аэрофотосъемка», 1969, № 2 . 19. Елисеев С. В. Геодезические инструменты и приборы. М„ «Недра», 1973. 20. Зайдель И. Н., Куренков Г. И. Электронно-оптические преобразователи. М., «Сов. радио», 1970.
21. Зверев В. А., Орлов Е. Ф. Оптические анализаторы. М., «Сов. радио», 1971. 22. Зотов В. Д. Полупроводниковые устройства восприятия оптической информации. М. «Энергия», 1976. 23. Зуев В. Е. Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере. М., «Сов. радио», 1970. 24. Ищенко Е. Ф., Климков Ю. М. Оптические квантовые генераторы. М., «Сов. радио», 1968. 25. Катыс Г. П. Автоматический контроль нестационарных параметров и параметрических полей. М„ Изд-во АН СССР, 1962. 26. Квазиус Г., Маккенлесс Ф. Проектирование -систем астронавигации. Пер. с англ. Под ред. Г. И. Лесива. М., «Мир», 1970. 27. Козелкин В. В., Усольцев И. Ф. Основы инфракрасной техники. М., «Машиностроение», 1974. 28. Криксунов JI. 3. Системы информации с оптическими квантовыми генераторами. Киев, «Техника», 1970. 29. Криксунов J1. 3., Усольцев И. Ф. Инфракрасные системы обнаружения, пеленгации и автоматического сопровождения движущихся объектов. М., «Сов. радио», 1968. 30. Курс астрофизики и звездной астрономии. Под ред. А. А. Михайлова. Т. I. М., «Наука», 1973. 31. Левитин И. Б. Инфракрасная техника. Л., «Энергия», 1973. 32. Максутов Д. Д. Астрономическая оптика. М.—Л., Гостехиздат, 1946. 33. Модуляция и отклонение оптического излучения. Под ред. Г. П. Катыса. М„ «Наука», 1967. 34. Оптическая нестабильность земной атмосферы. Под ред. Н. И. Кучерова. М., «Наука», 1965. 35. Павлов А. В., Черников А. И. Приемники излучения автоматических оптико-электронных приборов. М., «Энергия», 1972. 36. Перцев А. Н., Писаревский А. Н. Одноэлектронные характеристики ФЭУ и их применение. М., Атомиздат, 1971. 37. Пестов Э. Г., Лапшин Г. М. Квантовая электроника. М., Воениздат, 1972. 38. Полоник В. С. Телевизионная автоматика. Л., «Энергия», 1970. 39. Полунов Ю. Л. Полупроводниковые позиционно-чувствительные фотоприемники. — «Оптико-механическая промышленность», 1969,
№ 3. 40. Пратт В. Лазерные системы связи. Пер. с англ. Под ред. А. Г. Шереметьева. М., «Мир», 1972. 41. Расчет фотоэлектрических цепей. Под ред. С. Ф. Корндорфа. М., «Энергия», 1967. 42. Слюсарев Г. Г. Методы расчета оптических систем. Л., «Машиностроение», 1969. 43. Смит Р., Джонс Ф., Чесмер Р. Обнаружение и измерение инфракрасного излучения. Пер. с англ. Под ред. В. А. Фабриканта. М., ИЛ, 1959. 44. Соболева Н. А., Меламид А. Е. Фотоэлектронные приборы. М., «Высшая школа», 1974. 45. Сороко Л. М. Основы голографии ч когерентной оптики. М., «Наука», 1971. 46. Соул Д. Электронно-оптическое фотографирование. Пер. с англ. Под ред. В. К. Базарова, И. Ф. Усольцева. М., Воениздат, 1972. 47. Татарский В. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М., «Наука», 1967.
48. Таубкин И. И., Фример Л. И. К расчету вентильных фотоэлементов с продольным фотоэффектом. — «Радиотехника и электроника», 1962, № 7. 49. Теоретические основы радиолокации. Под ред. В. Е. Дулевича. М., «Сов. радио», 1964. Авт.: В. Е. Дулевич, А. А. Коростелев, Ю. А. Мельник и др. 50. Физика и техника инфракрасного излучения. Пер. с англ. Под ред. Н. В. Васильченко. М., «Сов. радио», 1965. Авт.: Д ж . Э. Джемисон, P. X. Мак-Фи, Д ж . Н. Пласс, Р. Г. Грубе, Р. Д ж . Ричарде. 51. Фурман Ш. А. Современные диэлектрические узкополосные пропускающие интерференционные фильтры. — «Оптико-механическая промышленность», 1968, № 9. 52. Харкевич А. А. Спектры и анализ. М., Физматгиз, 1962. 53. Шереметьев А. Г., Толпарев Р. Г. Лазерная связь. М., «Связь», 1974. 54. Шестов Н. С. Выделение оптических сигналов на фоне случайных помех. М., «Сов. радио», 1967. 55. Шифрин К. С. Рассеяние света в мутных средах. М., Гостехиздат, 1957. 56. Шуба Ю. А. Оптимизация контрастных оптических фильтров.— «Оптико-механическая промышленность», 1968, № 9. 57. Якушенков Ю. Г. Оптические системы фотоэлектрических устройств. М., «Машиностроение», 1966. 58. Якушенков Ю. Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов. М., «Сов. радио», 1971. 59. Якушенков Ю. Г. О влиянии турбулентности атмосферы на погрешность оптико-электронного датчика угла. — «Оптико-механическая промышленность», 1971, № 11. 60. Davis J. Consideration of atmospheric turbulence in laser systems design. — «Appl. Optics», 1966, v. 5, № 9. 61. Hodara H. Laser wave propagation through the atmosphere.— «Proc. IEEE», 1966, v. 54, № 3.
П Р Е Д М Е Т Н Ы Й
У К А З А Т Е Л Ь
Аберрации оптические 76—78 Анализатор изображений оптический 71, 83 Атмосфера земная 56—58 Бесселя функция 162 Болометры 130, 131 Бугера закон 58 Видикон 149, 152 Выбор приемника 245—250 — частоты модуляции 252—256 Гетеродинный прием 166 Голицына — Вина закон 31 Гомодинный прием 192, 201 Дальность действия ОЭП 231, 233—236 Демодуляция (детектирование) 163—166 Детектор квадратичный 164, 165 — линейный 164, 165 Диссектор 150, 152 Диапазоны линейности компенсаторов 92 Дрожание изображения 65 Единая изотермическая кривая 32, 33 Звездные величины 25—27 Зеебека эффект 129 Излучатель «площадной» 225, 227—229 — протяженный 225, 228 — точечный 225—227 Инерционность экрана ЭОП 135 Индекс модуляции 162, 163' Индикация сигнала 188—190 Испытания ОЭП 257 Квантовый выход 100 Керра ячейка 173 Кирхгофа закон 29 Классификация приемников излучения 97—99 Количество освещения 21 Компенсаторы оптические 70, 88—93
Конденсор 69, 74, 83—88 Концентрация водяного пара 61 Коррелометр когерентный 207 — некогерентный 205 Корреляционная функция 204 Корреляция оптическая 203— 208 Коэффициент видности 22 — излучения (черноты) 28, 30 — использования оптической системы 244 — использования потока 244 — использования приемника 104, 105 — ослабления (экстинкции) 58 — отражения 30 — поглощения 29, 58 — преобразования ЭОП 135 — прозрачности 58 — пропускания оптической системы 243, 244 — рассеяния 62—64 — сканирования 178 — согласования 242, 244, 245 — усиления ФЭУ 116 — экранирования 243 — яркости ЭОП 135 К- п. д. излучения энергетический 37 — модуляции 167—169, 242, 244 — оптической системы 243 — ЭОП 229, 242—245 Ламберта закон 19 Ламбертов излучатель 33 Лампы газоразрядные 39—41 — галогенные 36—39 — накаливания 36—39 ЛБВ —ФЭУ 119 Луна 55 Люминофоры 134, 135 Максутова система 81, 82 Манжена система 81, 82 Манжена — Чиколева формула 74 Мерцание 65, 66
Метеорологическая дальность видимости 64 Методы работы ОЭП 16 Модуляторы оптические 169— 175 Модуляция оптического сигнала 154—158 — амплитудная 154—160, 250 — время-импульсная 251 — частотная 161—163, 251 Мощность лучистой энергии 18 — рассеяния 124 Небо дневное 53, 54 — ночное 54, 55 Нитробензол 173 Области оптического спектра 15 Облученность 18, 20 Обнаружительная способность 103 Объективы 68, 80—83 — линзовые 80 — зеркально-линзовые 81 Оптические квантовые генераторы (ОКГ) 5, 7, 16, 43—53, 75 — газовые 49—51 — полупроводниковые 51, 52 — твердотельные 52, 53 Освещенность 22, 23 — энергетическая 18, 21 Ослабление излучения 56—59 — аэрозольное 57, 62—64 Ослабители 97 Отношение сигнал/шум 225, 229, 230 Ошибка динамическая 238 — инструментальная 239, 241, 242 — флуктуационная 238, 240 Период сканирования 177 Позиционно-чувствительные приемники 137—147 Планеты 55, 56 Планка закон 31 Плотность излучения 18, 20 Площадь видимая 19, 246 Поглощение атмосферное 59— 62 Поглощательная способность 29 Погсона закон 25 Поккельса эффект 174 Полный излучатель 27—29
Полоса пропускания эффективная 240 Порог чувствительности ОЭП 258 — чувствительности приемника излучения 103, 104 Постоянная Планка 31 — Стефана — Больцмана 30 Постоянная времени 104 Поток лучистый 17, 20 — световой 20, 23 Прием излучения 190 — балансный 193 — динамический 201—203 — гетеродинный 191—193, 197—201 — гомодинный 182 — прямой 190, 193—197 Приемники излучения 97—151 — диэлектрические 98 — мозаичные (многоэлементные) 142, 143, 215—218 — оптико-акустические 98 — пироэлектрические 98 — тепловые 98 — с радиальным электрическим полем 145—147 — фотомагнитоэлектрические 98 Прозрачность 58 Пространственная частота 79, 220 Пространственно-частотная характеристика 79, 220 Пьезоэлектрический эффект 174 Разрешающая сила (способность) 15, 134, 136 Рассеяние излучения 62—64 — молекулярное 62, 63 Расчет дальности действия ОЭП 231, 233, 236 — диаметра входного зрачка 231 — инструментальной ошибки 241 — к. п. д. ОЭП 2 4 2 - 2 4 4 — отношения сигнал/шум 193— 197, 199 — относительного отверстия 232 — потенциальной точности 240 — порога чувствительности ОЭП 229 — силы излучения 232
Регистрирующая 103
способность
Светимость 18, 27 — энергетическая 20 Световая отдача 37 Светодиоды 41—43 Световой эквивалент лучистого потока 23 Селективный излучатель 28 Серый излучатель 28 Сила излучения 18, 20, 231,232 энергетическая 18 Сканирование 175—178 Сканирующие системы 178 механические 178 оптико-механические 179,
180 фотоэлектронные 180, 181 Сканистор 152—154 Спектр излучения 14, 15 — модулированного сигнала 158—160 — мощности шума 108 — электромагнитных колебаний 14, 15 Спектральная излучательная способность 28, 34, 37 Спектральная световая эффективность 22, 23 Спектральные характеристики излучения 19 Солнце 53 Сопротивление приемника 105 — динамическое 105 — темновое 105, 184 Средние значения энергетических и световых величин 24 Стабильность характеристик интерференционных фильтров 96 Стефана — Больцмана закон 30, 31 Структурная постоянная 65 Суперортикон 148, 149, 152 Телескопическая система 75 Температура охлаждения 106 — радиационная 35 — распределения 34 — цветовая 34—36 — яркостная 34 Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) 130 Термоэлементы 129 Точность потенциальная 240 Траектории сканирования 177 266
Турбулентность атмосферы 9 Угол поля зрения 175 — поля обзора 176 — телесный 23 Фильтр оптический 72, 94 — абсорбционный 95 — интерференционный 95, 96 — нейтральный 97 — оптимальный 210 — отсекающий 94 — полосовой 94 — поляризационный 96, 97 — пространственный 213—216, 220—222 Фильтрация оптимальная 209— 211 — в когерентной системе 220, 221 — пространственная (угловая) 213—218 — спектральная 211—213 — сигнала в электронном тракте 184—188, 219, 220 Флуктуации прозрачности атмосферы 64—66 Фокусирующая и ускоряющая система ЭОП 132, 133 Формулы пересчета 111—113 Фотодиод 124—128 — инверсионный 139—142 — лавинный 128 — разрезной 143 — СВЧ 127, 128 Фотокатод кислородно-серебряно-цезиевый 114, 115 — многокомпонентный 115 — с отрицательным электронным сродством 115 — сурьмяно-цезиевый 115 Фотоматериалы 136, 137 Фотопотенциометр 144, 145 Фоторезистор 121—124 — профилированный 144 Фототранзистор 126, 127 Фототермопластические носители (ФТПН) 137 Фотоумножитель 114—121 —динамический 119—120 — статический 118—120 Фотоэлемент вакуумный 114 — газонаполненный 115 Фотоэффект внешний 114 — внутренний 98 — продольный 139 Фурье ряд 158
Характеристика световая (энергетическая) 107, 108 — спектральная (приемника) 107 — статическая (пеленгационная) 259 — температурная (приемника) 109 — фоновая 109, 122 — частотная (приемника) 106 Хроматизм положения 78 — увеличения 78 Частота несущая 154—160, 252—256 — управления 155—160, 252— 256 Черное тело 27—29 Чувствительность приемника излучения интегральная 99 — вольтовая (по напряжению)
100 — — — — —
монохроматическая 99 пороговая 103 спектральная 99 токовая 100 угловая ОЭП 258, 259
— удельная 101 Ширина полосы пропускания интерференционного фильтра 96 Ширина спектра сигнала эффективная 240 Шмидта система 81, 82 Шум приемника 101 — дробовой 102 — радиационный 102 — тепловой 101 — токовый (1//, избыточный) 102 Экран-анод ЭОП 134 Экспозиция энергетическая 22 Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 132—136 Эльдера — Стронга формула 60 Энергетические величины 17 Энергия излучения 21, 22 — сигнала 240 Эри диск 76, 77 Яркость поверхности 18, 19,236 — темнового фона 135 — энергетическая 18, 21
О Г Л А В Л Е Н И Е
П р е д и с л о в и е
3
1. Введение 1.1. Оптико-электронные приборы. Краткий исторический очерк, тенденции развития и перспективы применения оптикоэлектронных приборов в геодезии 1.2. Обобщенная схема работы оптико-электронного прибора 1.3. Спектр электромагнитных колебаний. Сравнение оптикоэлектронных приборов с радиоэлектронными . . . .
4
4 12 14
2.
2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7.
Источники излучения, используемые в оптико-электронных приборах Система энергетических и фотометрических величин . . Система астрофизических звездных величин . . . . Тепловые излучатели. Основные законы теплового излучения Лампы накаливания, газоразрядные лампы в оптико-электронных приборах Светодиоды Особенности использования оптических квантовых генераторов в качестве источников излучения . . . . . Излучение некоторых естественных источников . . .
17 17 25 27 36 41 43 53
3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4.
4.1. 4.2. 4.3. 4.4.
Распространение излучения в атмосфере Оптические характеристики атмосферы Поглощение излучения в земной атмосфере Рассеяние излучения в атмосфере Флуктуации прозрачности атмосферы
.
.
.
.
.
.
.
.
4. Оптическая система оптико-электронного прибора . Структурная схема оптической системы оптико-электронного прибора Передающие оптические системы оптико-электронных приборов Зависимость качества изображения от параметров оптической системы Типовые элементы оптических систем оптико-электронных приборов
5. Приемники излучения, используемые в оптико-электронных приборах 5.1. Классификация приемников излучения 5.2. Параметры приемников излучения
56 56 59 62 64 66 66 72 76 80
97 97 99
5.3. Характеристики приемников излучения 5.4. Пересчет параметров приемника излучения 5.5. Фотоэмиссионные приемники (вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители) 5.6. Фоторезисторы 5.7. Фотодиоды и фототранзисторы 5.8. Тепловые (неселективные) приемники излучения . . . 5.9. Преобразователи инфракрасных изображений в видимые 5.10. Позиционно-чувствительные приемники излучения . . 5.11. Телевизионные передающие трубки. Сканистор . .
106 ПО 114 121 124 128 131 137 147
6. Модуляция и демодуляция сигнала в оптико-электронном приборе 6.1. Назначение, классификация и особенности модуляции лучистого потока в оптико-электронном приборе . . . . 6.2. Спектры модулированных сигналов 6.3. Демодуляция сигнала в оптико-электронном приборе . . 6.4. Коэффициент полезного действия модуляции . . . . 6.5. Особенности конструкции некоторых модуляторов лучистого потока
154 154 158 163 167 169
7.
Сканирование в оптико-электронных приборах 7.1. Общие сведения о сканировании 7.2. Оптико-механические и фотоэлектронные сканирующие системы
175 175 178
8.
Электронный канал типового оптико-электронного прибора 8.1. Структура электронного канала типового оптико-электронного прибора 8.2. Согласование приемника излучения с электронными звеньями 8.3. Усиление и фильтрация сигнала в электронном тракте 8.4. Индикация выходного сигнала
181 181 182 184 188
9.
Основные методы приема и оптической обработки сигнала в оптико-электронных приборах 9.1. Краткая характеристика основных методов приема оптического излучения 9.2. Отношение сигнал/шум для прямого метода приема . , 9.3. Гетеродинный прием оптического излучения . 9.4. Динамический метод приема (метод счета одноэлектронных импульсов) . . . 9.5. Оптическая корреляция и возможности ее использования в геодезических оптико-электронных приборах . . . . 9.6. Оптимальная фильтрация сигналов на фоне помех в оптико-электронных приборах
190 190 193 197 201 203 209
Основы методики расчета и проектирования оптикоэлектронного прибора 10.1. Общие вопросы расчета и проектирования типового оптико-электронного прибора 10.2. Энергетические (светотехнические) расчеты оптико-электронных приборов 10.3. Расчет основных конструктивных параметров оптикоэлектронного прибора 10.4. Расчет дальности действия оптико-электронного прибора. Особенности энергетического расчета при активном методе работы прибора 10.5. Точностные расчеты оптико-электронных приборов . . 10.6. Расчет коэффициента полезного действия оптико-электронного прибора 10.7. Выбор приемника излучения 10.8. Сравнительная оценка некоторых видов модуляции оптических сигналов. Выбор рабочих частот модуляции в оптико-электронном приборе 10.9. Краткие сведения о настройке и испытаниях оптикоэлектронных приборов Приложение. Примерный перечень лабораторных и практических работ по курсу «Основы оптико-электронного приборостроения» Список литературы Предметный указатель
222 222 223 231 233 237 242 245 250 256 259 261 264
ИБ 23 ЮРИЙ ГРИГОРЬЕВИЧ
ЯКУШЕНКОВ
ОСНОВЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО
ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Р е д а к т о р Е. В. В я з о в а Х у д о ж е с т в е н н ы й р е д а к т о р Н. И. О б л о ж к а х у д о ж н и к а Б. Л . Т е х н и ч е с к и й р е д а к т о р 3 . Н. К о р р е к т о р Л. А .
Е р о ф е е в а
Н и к о л а е в а Р а т н и к о в а
М а к с и м о в а
Сдано в набор 26/VIII 1976 г. Подписано в печать 30/XII 1976 г. Т-22839 Формат 84X108/,, Бумага типографская № 2 Объем 14,28 усл. п. л . 15,007 у ч . - и э д . л . Тираж 14 500 экз.
Зак. 783
Цена 64 к.
Издательство «Советское радио>, М о с к в а , Главпочтамт, а/я 693 Московская типография № 10 С о ю з п о л и г р а ф п р о м а при Государственном комитете С о в е т а Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
Якушенков Ю. Г. Я49
Основы оптико-электронного приборостроения. Учебник д л я вузов. М., «Сов. радио», 1977. 272 с. с ил. И з л а г а ю т с я ф и з и ч е с к и е основы р а б о т ы о п т и к о - э л е к т р о н н ы х приборов О п и с ы в а ю т с я п р и н ц и п ы д е й с т в и я и особенности устройства в а ж н е й ш и х у з л о в и э л е м е н т о в оптико-электронных п р и б о р о в . Р а с с м о трены способы п р и е м а и о б р а б о т к и с и г н а л о в . К р а т к о и з л а г а ю т с я метод и к и р а с ч е т а и в ы б о р а основных п а р а м е т р о в о п т и к о - э л е к т р о н н ы х приборов. Книга я в л я е т с я у ч е б н и к о м д л я с т у д е н т о в г е о д е з и ч е с к и х с п е ц и а л ь ностей вузов и м о ж е т б ы т ь полезной д л я и н ж е н е р о в и т е х н и к о в , работающих в области приборостроения.
П
30401-013 046(01)-77
6 ф 0
3