Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 60 )

Выражения для потоков или облученностей, создаваемых помехами или фонами, находящимися в угловом поле приемной системы, определяются так же, как и при пассивном методе работы ОЭП. В совокупности с выражениями для полезного сигнала, аналогичными (12.12), они служат для составления основного энергетического уравнения.

При активном методе работы для улучшения энергетических соотношений в системе, помимо таких мер, как увеличение яркости источника и диаметра выходного зрачка передающей оптической системы, весьма эффективным является увеличение коэффициента ra. Это возможно только в том случае, если разработчик может изменять конструкцию объекта 2. Например, в геодезических дальномерах широко применяются уголковые отражатели, устанавливаемые на объекте, расстояние до которого измеряется. Эти отражатели (триппель-призмы) обладают свойством отражать попадающий на них поток в том же направлении, откуда этот поток пришел. Таким образом достигается заметное повышение уровня полезного сигнала, приходящего на входной зрачок приемной системы. Кроме того, возможно уменьшить угловое поле приемной системы, что способствует уменьшению потока от протяженных фонов, снижающих пороговую чувствительность всего прибора.

12.4. Расчет потерь потока в оптической системе

Определим выражение для коэффициента пропускания оптической системы, который входит в полученные в §12.3 выражения.

В оптической системе обычно основными являются потери из-за отражения на границах оптических сред, из-за поглощения в материалах оптических деталей, а также за счет виньетирования и диафрагмирования оптических пучков.

Как известно из общей теории оптических приборов [5], коэффициент пропускания системы t0, учитывающий потери на поглощение и отражение, можно вычислить по формуле

, (12.14)

где N – число поверхностей раздела оптических сред; rk – коэффициент отражения на k-й поверхности раздела; р – число оптических сред, проходимых излучением; aom – коэффициент поглощения на единицу пути лучей в m-й оптической среде; lm – длина пути излучения в т-й среде; r3n – коэффициент отражения на п-й зеркальной поверхности; N3 – число зеркальных поверхностей.

Следует учитывать, что значения rk, a0m, r3n могут быть различными в разных участках оптического спектра.

Помимо потерь на поглощение, отражение и виньетирование в передающей системе возможны потери вследствие несогласованности апертур отдельных её компонентов, например тела накала излучателя, конденсора и объектива.

В приемной оптической системе также возможны потери за счет диафрагмирования. Например, часть потока в зеркальных системах с контррефлекторами теряется на «слепом» пятне (центральной зоне) объектива. Коэффициент диафрагмирования в этом случае определяется как

kд = (D2 – d2)/D2 ,

где D – диаметр входного зрачка; d – диаметр «слепого» пятна (контррефлектора).

12.6.  Расчет коэффициента полезного действия системы первичной обработки информации

Одним из критериев качества СПОИ ОЭП может служить коэффициент hоэп, определяющий, какая доля полезного сигнала, поступающего на вход прибора, используется для создания выходного сигнала, несущего полезную информацию.

Этот коэффициент, называемый часто коэффициентом полезного действия СПОИ ОЭП или просто к. п.д. ОЭП, удобно оценивать отношением мощностей (потоков излучения). Он зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются: потери потока в оптической системе, оцениваемые коэффициентом h0; потери при модуляции и обработке модулированного сигнала (см. § 8.3), учитываемые коэффициентом kм; потери из-за отсутствия надлежащего согласования параметров приемника с параметрами оптической и электронной систем, оцениваемые коэффициентом hсг. Таким образом,

. (12.15)

Для ОЭП, работающих пассивным методом, под ho обычно понимается отношение потока Fпр, приходящего на приемник, к потоку F0, принятому оптической системой. Коэффициент ho при пассивном методе работы прибора рассчитывают по формуле

.

Здесь to – коэффициент пропускания оптической системы; kд – коэффициент диафрагмирования, учитывающий возможное экранирование входного зрачка, а иногда и виньетирование (см. §12.5).

Расчет коэффициента kм, учитывающего потери мощности сигнала при модуляции и детектировании, рассматривался в § 8.3.

В реальной конструкции по разным причинам иногда трудно оптимально согласовать параметры приемника с параметрами оптических и электронных звеньев. Это можно учесть коэффициентом hсг. Рассмотрим, что определяет этот коэффициент.

Одной из его составляющих является коэффициент kq, учитывающий возможное несоответствие между площадью чувствительного слоя приемника и площадью сечения пучка в месте установки этого слоя Аф. Несмотря на то, что чаще всего стремятся к тому, чтобы размер сечения пучка в плоскости чувствительного слоя был меньше размеров площади приемника А, иногда все же приходится идти на уменьшение А по сравнению с Аф (например, если необходимо уменьшить уровень шума приемника). При этом без учета возможной неравномерности освещенности в сечении пучка иногда принимают kq=A/Aф£1.

Другой составляющей является коэффициент kш, учитывающий соотношение между шумом электронной системы, приведенным к приемнику, – uшэ, и собственным шумом приемника uшп, взятым в рассматриваемой полосе пропускания:

Наконец, следует учитывать тот факт, что уровень шума приемника на рабочей частоте модуляции – частоте сигнала (спектр мощности шума jшс) и на частоте, при которой производилась паспортизация приемника (jшт), может быть различным. В этом легко убедиться, рассматривая типовой спектр шума приемника (см. рис. 5.2). Это положение можно учесть с помощью коэффициента , который при белом шуме равен единице.

Очевидно, что учет этих факторов необходим лишь при kq<1, kш<1, kf <1. Совокупность kq, kш и kf образует коэффициент

= kq kш kf .

При расчете КПД измерительных ОЭП необходимо иметь в виду, что для образования полезного сигнала, превышающего в заданное число раз уровень шумов, часто используется 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 и 6 компенсаторов и анализаторов регистрируют весьма малое смещение источника по угловому полю, составляющее небольшую долю его углового размера [1]. При сдвиге изображения относительно анализатора сигнал на выходе прибора определяется не всем потоком, создающим изображение, а лишь частью, соответствующей изменению потока, проходящего через анализатор. Поэтому при подсчете к. п.д. прибора необходимо умножать hоэп на коэффициент, учитывающий, какую долю всего потока составляет поток, образующий измеряемое приращение сигнала. Часто можно приближенно считать этот коэффициент равным отношению порога чувствительности прибора к величине линейного участка его выходной (статической) характеристики – зависимости между входным и выходным сигналами. Причем и порог чувствительности, и величину линейного участка в зависимости от назначения прибора можно выражать в виде потоков, облученностей, угловых или линейных координат и т. п.

Контрольные вопросы

1. При каких допущениях можно использовать формулы (12.3) ... (12. 8) для расчетов параметров ОЭП?

2. В каких случаях при энергетических расчетах ОЭП можно пренебречь собственным излучением наблюдаемых объектов и в каких – отраженным?

3. Как к. п.д. ОЭП зависит от вида применяемого в приборе анализатора изображения?

4. Как изменяются потери энергии в оптической системе (потери на отражение, потери на поглощение) с ростом длины волны излучения?

Глава 13. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

13.1. Расчет вероятностей обнаружения сигнала на фоне помех

При расчете величины m, устанавливающей соотношение между полезным сигналом и шумом, необходимо учитывать их случайный характер. Предположим, что на входе ОЭП имеет место аддитивная смесь полезного сигнала s и помехи п:

x = s+n,

причем х, s, п являются одномерными или многомерными функциями таких аргументов, как время, длина волны излучения, координаты в пространстве и т. д. Обозначим через Рs(х) и Рп(х) условные априорные вероятности получения смеси х при условиях, что в ней присутствует или отсутствует сигнал s соответственно. Очевидно, что

Ps(x)+Pn(x) = 1.

Для безусловных вероятностей наличия р и отсутствия q сигнала также очевидно, что p+q=1.

Простейшая задача обнаружения сводится к тому, что ОЭП должен дать правильный ответ на вопрос: есть ли в угловом поле (поле обзора) искомый излучающий объект или его нет? Эти два случая принято называть правильным обнаружением и правильным необнаружением. Двумя другими, альтернативными первым, случаями являются «ложная тревога», когда полезного сигнала нет, но уровень помех превышает некоторый необходимый для правильного срабатывания ОЭП уровень х0, и «пропуск сигнала », когда объект находится в угловом поле, но сумма х сигнала s и помех п не превышает х0.