Оптико-электронные системы
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ (КВАНТОВЫЕ)
СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА
СОДЕРЖАНИЕ
|1. |Задачи, решаемые с помощью ОЭС |2 |
|2. |Краткий исторический очерк |4 |
|3. |Сравнение приборов (систем) оптического диапазона с | |
| |радиоэлектронными устройствами |6 |
|4. |Основные энергетические и фотометрические величины |7 |
|5. |Основные характеристики излучателей |9 |
|6 |Типовая структура ОЭС и основные его характеристики |11 |
|7. |Фоны их общая характеристика |13 |
|8. |Ослабление оптического излучения в атмосфере |34 |
|8.1. |Молекулярное поглощение излучения |34 |
|8.2. |Методы расчета МП |34 |
|8.3. |Аэрозольное ослабление оптического излучения |41 |
|8.4. |Релеевское рассеяние излучения |43 |
|8.5 |Атмосферная рефракция и турбулентность |45 |
|9. |Пример оценки контрастов малоразмерных объектов |57 |
|10. |Оптические материалы |61 |
|10.1. |Показатель преломления |62 |
|10.2. |Пропускание, отражение |63 |
|10.3. |Физические свойства материалов |64 |
|10.4. |Используемые оптические материалы |64 |
|10.5. |Нетрадиционные оптические материалы на основе стекла |66 |
|11. |Оптические фильтры |66 |
|11.1. |Классификация оптических фильтров |66 |
|11.2 |Характеристики оптических фильтров |67 |
|11.3 |Основные типы оптических фильтров |68 |
|12. |Оптические системы формирующие изображение в ИК области спектра| |
| | |70 |
|12.1. |Зеркальные телескопические системы |70 |
|12.2. |Зеркально-линзовые телескопы |72 |
|12.3. |Вспомогательные оптические элементы |74 |
|12.4. |Формирование изображения, аберрации |74 |
|13. |Детекторы оптического излучения |78 |
|13.1. |Характеристики детекторов оптического излучения |78 |
|13.2. |Типы детекторов излучения |80 |
|13.2.1|Фотонные приемники |80 |
|13.2.2|Тепловые приемники излучения |81 |
|. | | |
|13.3. |Промышленные образцы приемников |82 |
|14. |Фотоприемники с переносом заряда (ПЗС) |84 |
|14.1. |Трехфазный ПЗС |84 |
|14.2. |Двухфазный ПЗС |86 |
14.3. |Приборы с инжекцией заряда (ПЗИ) |88 | |
|15. | | |
| | | |
| |Системы охлаждения приемников излучения |92 |
|15.1. |Охлаждение сжиженными газами |92 |
|15.2. |Охлаждение за счет эффекта Джоуля -Томсона |92 |
|15.3. |Криогенные машины |92 |
|15.4. |Термоэлектрическое охлаждение |98 |
|16. |Сканирующие системы |98 |
|16.1. |Траектории сканирования при регулярном поиске |99 |
|16.2. |Типы сканирующих устройств |101 |
|16.3. |Оптико-механическое сканирование |112 |
|17. |Анализаторы изображения – растровая модуляция |126 |
|17.1. |Классификация и принцип действия растровых анализаторов |126 |
|17.2. |Амплитудная модуляция |127 |
|17.3. |Частотная модуляция |136 |
|17.4. |Фазовая модуляция |136 |
|17.5. |Амплитудно-частотная модуляция |140 |
|17.6. |Импульсно-частотная модуляция |140 |
|17.7. |Амплитудно-фазовая модуляция | |
|17.8. |Частотно-фазовая модуляция | |
|18. |Видимость в атмосфере |150 |
|18.1. |Определение МДВ |151 |
|18.2. |Трассовые измерители метеорологической дальности видимости |152 |
|18.3. |Нефелометрический метод определения МДВ |156 |
|18.4. |Нефелометры – аэрозольные спектрометры |158 |
|19. |Технические основы систем лазерного зондирования |161 |
|19.1. |Применение технологии флуоресцентного анализа в других | |
| |практических задачах |167 |
|19.2. |Источник фемтосекундного импульсного излучения в | |
| |атмосфере |169 |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
| | | |
Ниже рассматриваются общие вопросы построения и применения оптико-
электронных и квантовых систем и устройств (ОЭС) с учётом динамики внешних
условий.
Оптико-электронными принято называть системы и устройства, в состав
которых входят как оптические так и электронные узлы, причем и те и другие
служат для выполнения основных задач, решаемых данным прибором, т.е не
являются вспомогательными звеньями (примеры вспомогательных звеньев – это
элементы осветительных, отсчетных и т.п. устройств).
Сущность физических процессов, определяющих действие ОЭС, заключается
в преобразовании одного вида энергии в другой и, в частности, энергии
излучения оптического диапазона спектра в электрическую. Т.о. действие ОЭС
основано на приеме электромагнитного излучения во всей оптической области
спектра, которая включает диапазон длин волн от 1 нм до 1 мм. Впоследнем
выделяют участки ультрафиолетового (0.001 –0,38 мкм), видимого (0,38-0,78
мкм) и ИК (0,78-1000 мкм) излучения (см. структуру спектра
электромагнитного излучения).
1. Задачи, решаемые с помощью ОЭС
С помощью ОЭС контактными и дистанционными методами получают
информации
. о размерах,
. форме,
. положении,
. энергетическом состоянии тел-объектов наблюдения, обнаружения,
исследований
Указанные задачи реализуются в результате приема излучения в нужном
спектральном диапазоне длин волн, при заданных ракурсах и поле зрения с
получением на выходе приемника излучения электрического сигнала, который
обрабатывается с целью выделения из шумов для последующего информационного
анализа.
Начало развития ОЭС как мощного инженерно-физического направления
техники мы вправе отнести к сороковым годам ХХ века, поскольку именно в
этот период удалось перейти от уровня простейших приборов, рассчитанных
только на пассивный метод работы /т.е. на прием видимого и теплового
излучения нагретых объектов/ к отработке принципов построения квантовых
оптических локационных систем, использующих в своей основе источники
когерентного излучения – лазеры.
ОЭС могут быть квалифицированы по следующим признакам:
. рабочей области спектра (УФ, видимая, ИК);
. способу формирования информационного поля или типу источника
излучения;
. способу обработки (использования) информации;
Спектр электромагнитного излучения
. решаемой задаче;
. ширине рабочей полосы длин волн и т.д.
Способ формирования информационного поля определяется, прежде всего,
типом источника излучения и, в связи с этим, различают:
. пассивные ОЭС, воспринимающие либо собственное излучение
наблюдаемого участка пространства, либо совокупность собственного и
отраженного излучения (доля последнего формируется солнцем, луной,
звездами и т.д);
. активные ОЭС, в которых используется искусственный источник
подсветки исследуемого участка пространства при последующем
информационном анализе сигналов, сформированных при приеме
отраженного объектом излучения в строго выделенном спектральном
диапазоне;
. комбинированные, в которых задействованы оба из обозначенных выше
методов.
Способ обработки (использования) информации определяет:
. автоматические ОЭС,
. индикационные ОЭС, в которых информация выдается в виде, пригодном
для принятия решения человеком-оператором.
Исходя из решаемых задач ОЭС подразделяется на:
. пеленгационные (определение положения объекта в пространстве
наблюдения).Сюда относятся оптические пеленгаторы, оптические
головки самонаведения.
. наблюдательные (тепловизионные, приборы ночного видения и т.д.),
. локационные (дальномеры, измерители скоростей и т.д.),
. фотометрические приборы широкого и специального применения для
оптико-физических измерений (фотометры, нефелометры и т.д).
С учетом ширины рабочей области длин волн ОЭС подразделяют на:
. интегральные (радиометры, тепловизоры и т.д.),
. спектральные (спектрометры, спектрорадиометры и т.д.).
Учитывая особенности квантовых систем и устройств, при их
классификации выделяют:
. квантовые стандарты длины, частоты и времени;
. квантовые усилители;
. преобразователи частоты лазерного излучения;
. лазерные модуляционные устройства;
. лазерные системы (лидары, лазерные доплеровские измерители
скорости, системы связи, гирометры и т.д.).
2. Краткий исторический очерк
Широкое практическое использование ОЭС стало возможным только начиная
с 30-40х годов XX века, когда были достигнуты первые ощутимые результаты в
технологиях создания оптических материалов для различных диапазонов спектра
и, прежде всего, в разработке приемников излучения, обладающих высокой
чувствительностью в тех же областях длин волн.
Исследования свойств оптического излучения ведутся очень давно. Ещё в
XVIII В.И. Ньютон описал опыты по разложению белого света на
квазимонохроматические составляющие. Одна из первых теорий, объясняющих с
физических позиций наблюдаемые оптические явления, была разработана
Декартом (XVII век) и затем Ньютоном и основывалась на представлении света
как совокупности корпускул–мельчайших частиц эфира, распространяющихся
вдоль определенных траекторий – световых лучей. В этот же период появились
первые работы Гюйгенса, в которых была сделана попытка интерпретации тех же
явлений на основе понятий световой волны. Теория Гюйгенса длительное время
уступала по популярности теории Ньютона и только благодаря исследованиям
Юнга и Френеля на рубеже XIX века получила блестящее подтверждение. К концу
XIX века Максвелл дал волнам Френеля электромагнитную интерпретацию и
показал, что всякая световая волна является электромагнитным возмущением.
Теория Максвелла была блестяще подтверждена опытным путем Герцем.
Электромагнитная теория, обобщенная в виде системы дифференциальных
уравнений, явилась вершиной классического этапа развития оптики.
Второй этап тесно связан с преобразованиями, которая оптика претерпела
в начале XX века. В 1905 году Эйнштейн на основе теории Планка возродил
корпускулярную теорию света в новой форме. В 1916 году он же предсказал,
что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня Ев на
нижний Ен и сопровождающее этот акт излучение могут происходить не только
самопроизвольно: под влиянием внешнего электромагнитного поля возбужденный
атом может преждевременно освободится от избытка энергии путем излучения
фотона Такое излучение было названо вынужденным, индуцированным.
Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении
частоты электромагнитного поля с собственной частотой излучения
возбужденного атома.Таким образом, в результате взаимодействия
возбужденного атома, готового испустить фотон h(= Ев – Ен, с фотоном
получаются два совершенно одинаковых по энергии и направлению движения
фотона-близнеца. Пролетающий фотон как бы стряхивает с возбужденного атома
подобный себе фотон, не затрачивая на это энергии и результирующая волна
имеет амплитуду большую, чем падающая.Особенностью индуцированного
излучения является то, что оно монохроматично и когерентно.
Успешно подтвержденная гипотеза Планка о квантовой природе излучения
света и гипотеза Эйнштейна (1916) в сочетании с успехами радиотехники и
потребностями практики послужили базой для изобретения оптических квантовых
генераторов и рождения интенсивно развивающейся новой области науки
–квантовой электроники.
На возможность использования индуцированного излучения для наблюдения
отрицательного поглощения (т.е. усиления) веществом, впервые указал в 1940
году В.А.Фабрикант.
Много сил инженерами различных стран было затрачено на создание
генераторов максимально коротких волн. Длина волны наиболее коротких волн,
полученных радиотехническими средствами, составляет величину порядка 1000
мкм. Попытки получить ещё более короткие волны натолкнулись на
непреодолимые трудности изготовления миниатюрных резонансных систем,
размеры которых должны быть порядка длины волны.
Решение последней проблемы возможно на пути использования в качестве
резонаторов непосредственно атомов и молекул, имеющих самые разнообразные
частоты колебания. Таким образом, такая проблема стимулировала создание
нового типа прибора – квантовых генераторов излучения для генерации
когерентных электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне спектра.
Отметим здесь, что термин “ОКГ” не бесспорен, поскольку генератором
оптических (некогерентных) квантов является и горящая спичка. Поэтому для
обозначения обсуждаемого класса излучателей наибольшее применение нашел
термин “Лазер”, сформированное из первых букв английской фразы “световой
усилитель с помощью вынужденного излучения” по аналогии со своим
предшественником, названным “Мазер”, который относится к первым СВЧ
генераторам, разработанным проф. Колумбийского университета Е.Таунсом в
1954 году и использовавшим явление вынужденного излучения.
Начало основного технологического прорыва в оптическом приборостроении
следует отнести к 1920-1930 гг., когда был создан ряд искусственных
источников УФ и ИК излучения. Чуть позднее появились первые многокаскадные
фотоумножители, первые фоторезисторы, чувствительные в ИК-области спектра.
Успехи и интенсивность разработок в области оптоэлектроники (раздела
науки и техники, исследующей процессы взаимодействия оптического излучения
с веществом для передачи, приема, хранения и т.д. информации) в этот и
последующий периоды в значительной степени были стимулированы расширением
военных применений ОЭС. Здесь в конце XX века отчетливо проявилась
тенденция к комплексированию в аппаратуре одного и того же назначения
нескольких каналов, работающих как в оптическом, так и в радиодиапазоне,
что оказывает подчас решающее значение, например, в повышении достоверности
показаний дистанционных систем наблюдения или управления, в которых
оператору или автомату-дешифратору в каждом конкретном случае предъявляется
взаимодополняющий набор информационных признаков для принятия максимально
правильного решения.
3. Сравнение приборов (систем) оптического диапазона с радиоэлектронными
устройствами.
Сравнение позволяет выделить ряд неоспоримых преимуществ ОЭС по
отношению к радиоэлектронным приборам, которые вытекают из различий
диапазонов спектра электромагнитных волн.
Действительно, если вспомнить, что минимально разрешаемый при
дифракции угол пропорционален отношению длины волны ( к диаметру входного
зрачка D, т.е. (/D, то легко объяснить более высокую разрешающую
способность ОЭС. Отсюда следует принципиально более высокая точность оптико-
электронных измерений, ограничиваемая разрешающей способностью ОЭС, а также
их преимущество по массо-габаритным показателям. Отметим в этом случае и то
обстоятельство, что для формирования диаграммы направленности
радиоизлучения с расходимостью 0,1( на длине волны (=1 м необходимо
антенное устройство с размерами (1((( (100 м), с тех же позиций в
оптическом диапазоне длин волн диаметр формирующего поток излучения
объектива с подобной расходимостью может иметь размеры в десятки мм или
единицы сантиметров.
Частота электромагнитных колебаний в оптическом диапазоне существенно
выше, чем в радиодиапазоне. Например, в видимом диапазоне частота световых
колебаний в млн раз превышает частоту волн в радио и телевещании. Это
определяет высокую информационную емкость оптического канала. (Напомним,
что для передачи обычного телевизионного изображения требуется полоса
частот (((5 Мгц. Поэтому в метровом диапазоне ((=1 м.,(((300 Мгц.) можно
передать лишь около 10 телевизионных программ, в оптическом диапазоне при
том же отношении сигнал/шум – это число возрастает в млн.раз).
Передача информации в оптическом диапазоне осуществляется фотонами,
которые в отличие от электронов – электрически нейтральные частицы, не
взаимодействующие между собой и внешними полями. Это допускает возможность
идеальной гальванической развязки входа и выхода, однонаправленность потока
информации, высокую помехозащищённость.
К числу других достоинств ОЭС следует отнести возможность двойной
(пространственной и временной) модуляции излучения, а также близкую для
восприятия человеком визуальную форму представления информации. Однако с
представленными преимуществами должен быть назван ряд недостатков
оптического диапазона длин волн, в частности, большее ослабление излучения
в атмосфере, значительное число фоновых помех от естественных и
искуственных источников.
4. Основные энергетические и фотометрические величины.
Простейший вид излучения – монохроматическое, т.е. излучение
характеризуемое очень узким интервалом длин волн. (1- ((1(((( при (((0.
Монохроматическое излучение можно характеризовать и частотой (, причем
связь последней с длиной волны определяет соотношение [pic] (с-скорость
света).*)
Спектральный состав излучения, т.е. распределение электромагнитной
энергии по длинам волн или частотам является как качественной
характеристикой, так и количественной при определении облученности входного
зрачка ОЭС.
Определим основные энергетичекие величины оптоэлектроники:
. Лучистый поток Фе - средняя мощность, переносимая оптическим излучением
за время значительно большее периода электромагнитных колебаний
[pic] [Вт]
/ 1 Вт = 10-7эрг(с-1= 0234 кал.с-1=6,24(1018 эВ с-1/.
При расчетах ОЭС особый интерес также представляют:
. Энергетическая светимость (поверхностная плотность излучения) Ме:
отношение испускаемого поверхностью по одну сторону от себя (т.е. – в
полусферу) полного лучистого потока к площади этой поверхности
[pic]
/[pic]/
. Облученность или энергетическая освещенность (плотность мощности) Ее
определяет отношение лучистого потока dФ, падающего на какую-либо
поверхность, к площади этой поверхности dS2
[pic]
. Энергия излучения
[pic]
/[pic]/
* Отметим также широкое применение в оптике (спектроскопии) единицы шкалы
длин волн – волновых чисел [pic]
. Сила излучения [pic] или энергетическая сила света – отношение лучистого
потока dФ к телесному углу [pic], в пределах которого он распространяется
[pic]
. Лучистостью или энергетической яркостью излучающей поверхности в данном
направлении называется отношение измеренной в этом направлении силы
излучения к видимой площади излучающей поверхности
[pic]
Для плоских излучающих поверхностей, имеющих лучистость, одинаковую во всех
направлениях действует закон Ламберта
[pic]
откуда
[pic]
Закон Ламберта справедлив только для АЧТ, а также идеально рассеивающих
поверхностей. Широко известно следствие из закона Ламберта
[pic]
Фотометрические (световые) величины:определяют спектр излучения в пределах
чувствительности человеческого глаза.
. Световой поток
[pic],
где [pic]- максимальное значение так называемого коэффициента видности
[pic], ([pic]= 683 лм(Вт-1)
[pic] - относительный коэффициент видности, спектрально совпадающий с
кривой видности человеческого глаза, максимум которой [pic]расположен в
зеленой области спектра (((0,555 мкм).
Соответственно различают:
. Световую энергию [pic] /1 лм(с=1 тальбот/
. Силу света [pic]
. Светимость [pic] /1лк=1лм(м-2=10-4фот/
. Яркость [pic].
5. Основные характеристики излучателей
Для сравнения различных излучателей целесообразно иметь общий эталон.
Им является черное тело или полный излучатель, имеющий при заданной
температуре для всех длин волн максимально возможную спектральную плотность
энергетической яркости. Черное тело полностью поглощает все падающее на
него излучение независимо от длины волны, поляризации и направления
падения, поэтому обычно говорят об абсолютно черном теле (АЧТ).
Любой реальный излучатель характеризуется коэффициентом излучения
(коэффициентом черноты) ( - отношением его энергетической яркости к
энергетической яркости АЧТ при той же температуре.
. Тепловой излучатель для которого величина ((() не зависит от длины
волны называется неселективным и, наоборот, при условии ( =f(() мы
имеем дело с селективным излучателем (см.рис.1).
. Световым КПД излучателя называется отношение [pic]
. Световая отдача Ксв – это отношение М( к величине энергетической
светимости [pic]
. Яркостная температура – это температура черного тела, при которой
оно имеет ту же спектральную плотность энергетической яркости, что
и рассматриваемое тело (излучатель)
Распределение энергии по спектру длин волн в излучении АЧТ описывает
закон Планка
[pic],
(1)
где С1=3,7415(10-16Вт(м2, С2=1,43879(10-2м(К
Из формулы Планка можно получить выражение для закона Стефана-
Больцмана:
[pic]
(2)
т.е. энергетическая светимость АЧТ определяется его температурой в
четвертой степени ((=5,66971(10-8Вт м-2к-4 – постоянная Стефана-Больцмана).
Экстремум функции (1) определяет закон Голицина –Вина
[pic]
(3)
(( - [мкм], Т-[K])
Как пример применения соотношения (3) можно оценить область максимума
излучения такого тела как планета Земля, средняя температура которой ТЗ(290
К. Видно, что эта величина близка [pic] в то время как [pic]для Солнца
(Т(6000К) соответствует зеленой области видимого спектра.
Рис.1. Зависимость спектрального коэффициента излучения материалов (( от
длин волн. Альб.лист
Для удобства использования в расчётах соотношения (1) в
справочниках представляется единая изотермическая кривая, которая
получается заменой в (1) переменных на [pic].
Чтобы по значениям единой изотермической кривой y(x) вернуться к
кривой Планка необходимо:
. Определить [pic]по (3)
. Определить [pic]
. для выбранных ( определить [pic]
. найти y(x) и в заключение-
. [pic].
Полезно отметить, что для длин волн [pic] величина [pic] изменяется
пропорционально Т, а в области [pic]- увеличивается пропорционально Т5.
Взяв производную [pic], можно найти длину волны [pic], при которой
скорость изменения [pic] максимальна.
В частности,
[pic]
(4)
6. Типовая структура канала ОЭС и основные его характеристики.
Практически для большинства видов ОЭС на стадии создания
разработчикам следует учитывать взаимозависимость (взаимообусловленность)
характеристик, определяющих весь канал функционирования прибора, а именно –
систему “объект-фон–атмосфера-прибор-оператор”. В указанной системе
соотношение яркостей наблюдаемого объекта и окружающей среды (т.е. фона)
или, как принято, их определять, контраст объекта
[pic]
(5)
и его динамика во времени очевидным образом должны учитываться при
определении конструктивных особенностей самой ОЭС.
Контраст объекта деформируется как по спектральному составу, так и по
амплитуде за счёт влияния участка атмосферы, разделяющего объект и входной
зрачок ОЭС. В атмосфере происходит неодинаковое для различных длин волн
поглощение и рассеяние оптического излучения, формирование поля рассеянного
излучения.
ФОН
атмосфера
ОЭС
оператор
Таким образом в системе наблюдения ОЭС-объект необходимо рассматривать
следующие составляющие части трассы визирования:
объект
Непосредственно с ОЭС связаны следующие части оптического канала:
оптическая система (зеркальная, линзовая или зеркально-линзовая), которая
осуществляет формирование изображения наблюдаемого участка пространства,
фотоприемное устройство, которое состоит из приемника оптического излучения
и предусилителя, сигнал с которого подается в электронную систему обработки
и видеоконтрольное устройство.
В последнем случае заключает канал ОЭС оператор, на принятие решения
которым (с этим также следует считаться) влияют свойства зрительного
восприятия (т.е. глаза)- психофизические свойства человеческого мозга.
Количественную оценку свойств и эффективности ОЭС в том или ином
режиме его применения осуществляют с помощью ряда основных характеристик, в
числе которых:
. Пороговая чувствительность – это наименьшая величина потока излучения,
наименьшая величина освещенности, при воздействии которой на входной
зрачок оптической системы прибора, обеспечивается заданная вероятность
выполнения основной функции прибора (обнаружение объекта, точность
слежения, адекватность восприятия изображения и т.д.).
В тех случаях, когда необходимо характеризовать непосредственно
фотоприемник, то говорят об обнаружительной способности – величине обратно
пропорциональной пороговой чувствительности. В практике создания ОЭС,
работающих в тепловой области спектра удобно характеризовать качество
изделия способностью различать минимальную разность температур (( двух
участков наблюдаемого тела. Эта характеристика, типичные значения которой
изменяются в пределах 0,01-0,5(, наиболее информативна и наглядна в
инженерной практике.
Пороговому значению чувствительности естественно соответствует
предельное значение отношения сигнал/шум S/N ОЭС, при котором возможна
работоспособность прибора.
. Дальность действия – определяется порогом чувствительности ОЭС и
характеризует максимальную дистанцию (или определённый диапазон
дистанций), на который при строго определенных внешних условиях
реализуется основная функция прибора.
. Поле обзора – телесный угол с вершиной в центре входного зрачка
оптической системы, в пределах которого реализуется основная функция
прибора, например для систем наблюдения - возможность различать объект.
Для систем сканирующего типа поле обзора формируется как совокупность
мгновенных полей зрения.
. Мгновенное поле зрения – это телесный угол с вершиной в центре входного
зрачка оптической системы, в пределах которого ОЭс фиксирует часть
пространства с заданным пространственным разрешением в данное время (t,
при условии, что обзор всего пространства занимает интервал времени
t0=((t.
. Время обзора t0– время осмотра поля обзора. Иногда задают число кадров-
величину, определяющую телевизионные системы и частоту обновления
информации. Мгновенное поле ОЭС определяется размером входного зрачка и
так как всегда в приборе присутствует полевая диафрагма, её размером и
фокусным расстоянием объектива.
7. Фоны, их общая характеристика
Основные свойства фонов рассмотрим для классов ОЭС, работающих на
естественных оптических трассах в приземном слое воздуха, с авиационных и
космических носителей. Подобный подход означает лишь тот факт, что внимание
будет уделено практике применения ОЭС для наблюдения удаленных объектов.
Практически для всех случаев следует подчеркнуть, что классифицировать
большинство источников излучения (объектов наблюдения) как цель или фон
затруднительно, так как в зависимости от задачи, решаемой ОЭС, один и тот
же объект может быть как фоном, так и целью. Например, облака – фон,
мешающий пеленгации стартующих с поверхности земли ракет и эти же облака –
цель для ОЭС, устанавливаемых на космических аппаратах -спутниках погоды.
Вместе объекты и окружающий их фон образуют поле излучений – фоноцелевую
обстановку (ФЦО), спектральные характеристики которой изменяются в
пространстве и во времени. Для систем обнаружения и распознавания одной из
основных функций является оперативный анализ ФЦО, завершающийся выделением
из шума сигнала реальной цели. Эта задача осложняется тем, что если
источником полезного сигнала является только излучение реального объекта –
цели, то источником шума могут быть излучения как естественного фона, так и
ложных целей, собственное излучение оптической системы, шум приемника и
усилителя сигнала, а также флуктуации параметров всех элементов ОЭС.
Данные в ФЦО необходимы для решения следующих задач –
. создания моделей типовых целей и алгоритмов обнаружения, распознавания и
сопровождения, целей с разделением их по приоритетности;
. управления основными оптическими параметрами объекта для их оптимизации
при создании малозаметных целей, например, по технологии, определяемой в
зарубежной практике как “Стелс-технология”
. имитации и моделирования различных режимов работы ОЭС на стадии отработки
конструкции и, в том числе, в плане решения задачи снижения стоимости
прибора;
. разработки системы идентификации объектов сложной конструкции в
автоматическом режиме за счет фильтрации фона и корреляции путем
сравнения характерных параметров принимаемого изображения и эталона цели.
Объем информации о ФЦО, необходимый разработчикам ОЭС, зависит от
типа и назначения прибора. Например, является ли прибор пассивным или
активным. При этом по мере увеличения средств радиоэлектронного
противодействия, по единодушной оценке, специалистов все шире будут
использоваться комбинированные пассивно-активные многоспектральные ОЭС.
В виде таблицы дадим иллюстративный пример комплексирования различных
диапазонов длин волн для получения требуемой информации о летательных
аппарата.
|ОЭС комбинированного типа из двух |Объект |Информация, которая должна|
|датчиков |обнаружения|быть получена |
|Коротковолновый. + длинноволн. |Факел |Высота полёта цели, |
|ИК диапазон ИК | |величина тяги, состав |
|диапазоны | |топлива |
| |Холодные | |
|Коротковолн. + Видимый |Объекты |Габариты, форма |
|ИК диапазон диапазон | |конструкции, ориентация |
| | |относительно солнца, |
| |Аэродинамич|температура корпуса |
|УФ диапазон + Видимый |еские цели | |
|диапазон | |Состав топлива |
Примеры исходных условий наблюдения:
1. Излучение мощных ракетных двигателей на активном участке полета
сконцентрировано в области 2,7 и 4,26 мкм и характеризуется температурой
(1400 К. При этом сила излучения факела может достигать (1…8)(106вт(ср-1,
что на несколько порядков превосходит силу фонового излучения. На
заключительном этапе активного участка, при разделении головной части
ракеты, двигательные установки отдельных субэлементов существенно
маломощны, сила их излучения 30-100 вт(ср-1, а температура нагрева
поверхности (300 К, что сравнимо с тепловым фоном Земли. В данном случае
удобнее различать такие субэлементы на фоне “холодного” космоса,
температура которого (4 К.
2. В системе УФ/видимый каналы условия наблюдения существенно изменяются –
здесь должны учитываться факторы отражения солнечного излучения корпусом,
минимальный контраст холодной цели в УФ и наличие здесь информационного
сигнала от неё в том случае, если действует двигательная установка (ДУ) /
минимальный контраст цели без ДУ в УФ обусловлен практически полным
поглощением излучения озоном атмосферы в области ( 0,22 мкм и резким
снижением в области длин волн короче 0,3 мкм коэффициентов отражения
современных конструкционных материалов/.
Как уже отмечалось, фоновые образования являются сложными
нестационарными источниками, оптические характеристики которых зависят от
многих причин:
. условий освещения,
. географического положения,
. сезона,
. метеоусловий,
. типа подстилающей поверхности, времени и т.д.
Поэтому наиболее адекватные результаты описания фонов могут быть
получены только на основе статистического анализа экспериментальных данных
с выделением дисперсии, коэффициентов корреляции, средних величин и т.д.
С учетом излучения Солнца и температурного режима естественных
источников излучения на Земле в общем потоке радиации воспринимаемой ОЭС в
диапазоне длин волн (3…3,5 мкм доминирует отраженное излучение - это так
называемая подсветочная область спектра. В области > 5 мкм преобладает
собственное излучение объектов и фонов. Участок длин волн 3-5 мкм –как бы
переходный.
Ниже на рис.2-19 проиллюстрируем энергетические характеристики фонов
типичными примерами в виде спектральных зависимостей изменения яркости
фонов и объектов или составляющих их элементов.
Рис.2 Схематический
спектральный ход яркости оснащенной
Солнцем стороны
Земли, наблюдаемой со спутников.
Пунктирными
кривыми показана яркость абсолютно
черного тела при
температуре 300(С и 200(К.
Рис.3. Спектральная сигнатура фона – поверхности
земли (а) и факела ракетного двигателя (б).
Рис.4. Спектральный состав
отраженной солнечной составляющей
от инверсионного
следа самолета В-57 на высоте 8,5 км
(измерения сверху).
Рис.5. Спектральная
интенсивность излучения факела
в функции длины
волны для пяти типов РДТТ
ракеты “Сатурн”
Рис.6. Спектральный ход яркости облаков и льда
(1-перистые, 2-кучевые, 3-лед со снегом).
Рис.7. Спектральная яркость ясного солнечного
неба в районе Колорадо на высоте 3,3 км,
t=+8(С (различные углы возвышения).
Рис.8 Изотермы факела
турбореактивного двигателя
на максимальной тяге на
уровне моря без
дожигания
и на форсаже.
Рис.9. Поле температур факела ракетного двигателя.
Рис.10. Индикатрисы излучения самолета “В-66”
с
двумя турбореактивными двигателями;
а – в
вертикальной плоскости, в – в горизонтальной.
Рис.11. а,б –
относительная спектральная лучистость для некоторых
фоновых
образований, в- спектральная лучистость типичных
земных фонов при
наблюдении днем: 1-снег, 2 – черное тело 35(С;
3 - почва 32(С; 4-белый песок; 5 – трава.
Рис.12. Пример съемки местности в видимом (а) и ИК(б)
диапазонах.
На рис.12 б видно яркое белое пятно – пленка
нефтепродуктов на воде.
Рис.13. Изображение объекта в области 8-14 мкм
(Виден яркий двигательный отсек).
Рис.14. Тот же объект,
зарегистрированный в области 4-5 мкм:
в изображении:
превалирует яркость факела ДУ
Рис.15. ИК съемка местности на участке
слива в реку промышленных стоков.
Рис.16. Демонстрация эффекта, достигаемого
синтезированием
(объединением) изображений, полученных в нескольких
спектральных диапазонах: А) 1-2 мкм: Б) 3,5-5,5 мкм;
В) 8-13 мкм; Г) – синтезированное изображение.
Рис.17. Некоторые примеры данных по учету
особенностей изменения ФЦО.
Рис.18. Изменение яркости одного и того же объекта
в разных условиях (пример модельного расчета)
Рис.19 Физическое и математическое моделирование в лазерной локации
(ЭПР – эффективная поверхность рассеяния).
-----------------------
hv
hv
hv
Ев
Ен |
