Бортовые оптико-электронные системы (стр. 6 )

Исследование закона Ламберта на модели АЧТ

Диафрагма модели АЧТ d АЧТ =	Экспериментальные данные	Угол поворота, град
Поток излучения на радиометре, Вт
Расчетные данные	Сила излучения модели АЧТ, Вт/ср
Рассчитанная сила излучения АЧТ, Вт/ср
Погрешность выполнения закона Ламберта, %

Таблица 1.3

Исследование закона Больцмана на модели АЧТ

Температура АЧТ, К
Поток излучения на радиометре, Вт/м2
Светимость модели АЧТ по данным эксперимента, Вт/ср
Светимость АЧТ по выражению (15), Вт/ср
Коэффициент излучения модели АЧТ

Построить графики зависимости светимости излучения модели АЧТ от температуры, рассчитанной по экспериментальным данным и с помощью выражений (18) и (19).

Контрольные вопросы:

1. Какие особенности имеет излучение у поверхностей, подчиняющихся закону Ламберта

2. Что такое черное тело? Что такое нечерное тело? Какое излучение называется селективным, а какое серым?

3. Во сколько раз возрастет интегральная энергетическая светимость черного тела, если его температуру увеличить в два раза?

4. На какую длину волны приходится максимум излучения АЧТ, нагретого до температуры 600 К?

5. Закон Стефана – Больцмана пишут в виде Мт = σ Т4 или U = a Т4, где U – плотность энергии. Определить а.

6. Какую погрешность вносит неучет температуры фона?

Лабораторная работа № 2

Цель работы: Исследовать спектральное распределение излучения АЧТ.

Закон Планка

Планку удалось найти общее уравнение распределения энергии по спектру АЧТ, точно совпадающее с опытными данными. Для этого Планку пришлось отойти от классических представлений о природе излучения и выдвинуть предположение о том, что излучение испускается не непрерывно, а в виде отдельных порций энергии – квантов εф = h·ƒ. Была получена формула

Ме,λ = ƒ (λ,t) = 2π ∙ħ∙c2∙λ-5 (есħ/kт λ – 1

где с – скорость распространения излучения в вакууме,

k = 1,3805∙10-23 Дж/К – постоянная Больцмана,

ħ = 6,626∙10-34 Дж∙с – постоянная Планка.

Обозначив 2π kc2 = С1 и ħ∙c/k = С2, (20) запишется как

Мео λmax = С1 λ-5(ес2/т λ – 1

где С1 = 3,74 ∙10-18 Вт∙м2 , С2 = 1,44 ∙10-2 м, К =14400 мкм∙К.

Следует иметь в виду, что при С2 / λТ >>1 можно использовать более простую формулу Вина:

Мео,λ = С1∙λ-5 е - с2/т λ (22)

Формула (22) дает погрешность по сравнению с (21) не более 10 % при λТ < 6000 мкм∙К и не более 1% при λТ < 3000 мкм∙К.

При С2/ λ Т<<1 можно использовать формулу Рэлея-Джинса

Мео,λ = С1/С2 ∙ λ-4 Т (23)

Погрешность расчетов по (23) составляет не более 10% при λ Т >мкм∙К и 1% при λ Т >1 мкм∙К.

При интегрировании (21) по всему диапазону длин волн, получается выражение для энергетической светимости АЧТ согласно (15) , а при дифференцировании (21) для определения максимума излучения, получается выражение для длины волны согласно закону Вина.

Описание экспериментальной установки.

В эксперименте используются модель АЧТ, описанная выше, монохроматор и фотометр с регистрирующим устройством. Вместо монохроматора может использоваться набор узкополосных ИК – фильтров.

Размещение аппаратуры аналогично схеме (рис.7), только модель АЧТ в процессе работы не поворачивается, а вместо радиометра используется фотометр с монохроматором. Регистрирующее устройство в качестве выходного параметра имеет величину падающего потока (Вт). Диаметр входного отверстия фотометра – 5см.

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Для одной из диафрагм (выбирается самостоятельно) для заданного ряда температур АЧТ получить необходимые данные для расчета характеристики спектральной светимости АЧТ. При проведении эксперимента возможно использование его математической модели ЛР№2_ОЭС.

Данные эксперимента занести в табл.2.1.

Таблица 2.1

Снятие характеристик спектральной светимости

Т =	Экспериментальные данные	Длина волны, мкм
Спектральная плотность потока излучения на радиометра, Вт/·мкм
Расчетные данные	Спектральная светимость модели АЧТ по данным эксперимента, Вт/ м2 ·мкм
Спектральная светимость модели АЧТ по выражению (20), Вт/ м2 ·мкм

Интервал шаг измерений по длине волны выбирать самостоятельно, но не менее 0,1 мкм (стараясь избегать чрезмерного увеличения объема данных, но в то же время не пропустить характерные точки кривой).

2. По данным эксперимента п.1 построить графики спектральной зависимости светимости модели АЧТ при различных температурах.

3. По данным эксперимента п.1 построить график зависимости максимальной величины спектральной светимости АЧТ (модели АЧТ) от температуры

Контрольные вопросы:

1. Вывести из формулы Планка закон смещения Вина.

2. Из закона Планка Мλ,т = 2πħc² λ-5 [exp(ħc/кТλ) -1] ˉ¹ получить его форму Мν,т. Указание. Использовать соотношение λ = с/ƒ, где с – скорость света, а также равенство потоков в элементарных участках длин волн и частоты.

3. Что выражает закон Планка?

4. Как связаны между собой излучательная и поглощательная способности тел?

5. Проверить расчетом, что яркость желтого излучения АЧТ возрастет вдвое при изменении температуры с 1800 до 1875К4.

6. Из эксперимента, используя данные при Т = 1500 К для светимости Ме,λ , построить график для Т = 1600К.

Лабораторная работа № 3

Цель работы: Исследование пропускание оптического излучения при прохождении через земную атмосферу

Моделируется работа линии связи на земле на уровне моря (рис. 8). Источник излучения имеет плоскую излучающую поверхность и равномерно излучает в диапазоне длин волн от 1 до 6 мкм.

Рис. 8 Рабочее окно для проведения работы по исследованию пропускания оптического

излучения при прохождении через земную атмосферу

Условия эксперимента устанавливаются заданием чисел в соответствующих «окошечках». После задания условий для определения возможности работы линии связи необходимо нажать кнопку «Расчет», после чего на рабочем поле появится «горящая» (в случае работы) или «негорящая» (в случае невозможности работы) лампочка.

Для приемника в диапазоне длин волн от 2 до 5 мкм при влажности и температуре воздуха соответственно 25% и 20ºC, метеорологической дальности видимости Lмв более 29 км и стандартном давлении дальность работы составила 5,8 км.

1. Рассчитать коэффициент пропускания для этих условий.

2. По заданию преподавателя экспериментально оценить дальность работы линии связи для следующих условий:

а) Dl=2…5 мкм, ρ = 25%, Т = -20ºC, Lмв > 29 км, Рстанд;

б) Dl=2…5 мкм, ρ = 75%, Т = 20ºC, Lмв > 29 км, Рстанд;

в) Dl=2…5 мкм, ρ = 25%, Т = 20ºC, Lмв > 29 км, Рдейст=750 мм тр. ст.;

г) Dl=2…5 мкм, ρ = 25%, Т = 20ºC, Lмв = 4,5 км, Рстанд;

д) Dl=1…4 мкм, ρ = 25%, Т = 20ºC, Lмв > 29 км, Рстанд;

е) Dl=2…5 мкм, ρ = 25%, Т = 20ºC, Lмв > 29 км, Рдейст=770 мм тр. ст.

3. Рассчитать коэффициент пропускания для условий п. 2.

4. Вывести выражение для оценки возможности работы линии связи при определенных метеоусловиях и дальности, если при других метеоусловиях и дальности работа возможна.

Контрольные вопросы

1. Что такое окна прозрачности атмосферы для оптического излучения?

2. Как могут сказываться турбулентные явления в атмосфере на прохождение оптического излучения?

3. Какие преимущества в прохождении при различных атмосферных условиях может иметь ИК излучение по сравнению с видимым светом?

4. Вычислить ширину полосы частот излучателя на лазере на GaAlAs c Δλ = 3 нм и λср = 0,82 мкм

5. Вычислить ширину полосы частот излучателя на СИД на IuGaAsP/IuP с Δλ = 110 нм и λср = 1,55мкм

6. Найти расстояние, на котором мощность уменьшится в 10 раз при распростра-нении в оптическом волноводе (ОВ) с коэффициентами потерь 20 дБ/км

7. Найти расстояние, на котором мощность уменьшится в 10 раз при распространении в ОВ с коэффициентами потерь 0,2 дБ/км.

В отчете по работе указать:

цель работы,

основные расчетные выражения,

результаты выполнения работы,

выводы по полученным результатам,

ответы на контрольные вопросы.

Список литературы

1. «Оптико-электронные приборы наведения», учебник для ВТУЗов,5 изд. перераб. и доп., М., Машиностроение, 1989, 510 с.

2. Криксунов по основам инфракрасной техники. М., Сов. радио, 1978, 400 с.

3. , «Основы инфракрасной техники», учебник для техникумов, 3 изд., перераб. и доп. М., Машиностроение, 1985, 264с

4. «Бортовые оптико-электронные системы». Учебное пособие. МАИ, филиал «Взлет», 2006