Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Основы оптико-электронного приборостроения

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 616911.02.99
Доступ онлайн
400 ₽
В корзину
Изложены физические принципы работы и основы построения оптико-электронных приборов (ОЭП). Описаны типовые узлы ОЭП: источники и приемники оптического излучения, оптические системы, анализаторы изображения, сканирующие системы, модуляторы. Рассмотрены методы приема оптических сигналов, обобщенные структурные схемы ОЭП и способы выделения сигналов от объектов, наблюдаемых на фоне помех. Приведены методики расчета ряда основных параметров ОЭП. которые могут быть полезными при выборе того или иного ОЭП. предназначенного для использования в геодезической практике и дистанционном зондировании и оценке эффективности этого использования. Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Геодезия и дистанционное зондирование» и специальности «Прикладная геодезия». Представляет интерес для специалистов, занимающихся топографо-геодезической деятельностью и дистанционным зондированием Земли, а также проектированием и эксплуатацией ОЭП различного назначения.
Якушенков, Ю. Г. Основы оптико-электронного приборостроения : учебник / Ю. Г. Якушенков. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва : Логос, 2020. - 376 с. - (Новая университетская библиотека). - ISBN 978-5-98704-652-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1213082 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ОСНОВЫ  ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО  ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Ю.Г. Якушенков

ОСНОВЫ  
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО 
ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

2-е издание,
переработанное и дополненное

Рекомендовано Учебно-методическим объединением  
по образованию в области геодезии и фотограмметрии в качестве 
учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению «Геодезия и дистанционное зондирование»  
и специальности «Прикладная геодезия»

Москва • Логос • 2020

УДК 681.384.31
ББК
32.86-5-01 
Я49
Серия основана в 2003 году

Рецензенты

В.В. Коротаев, доктор технических наук, профессор 
(Национальный исследовательский университет информационных 
технологий, механики и оптики)
В.В. Шлапак, кандидат технических наук, профессор 
(Московский государственный университет геодезии  
и картографии – МИИГАиК)

Якушенков Ю.Г. 
Основы оптико-электронного приборостроения: учебник. – 2-е изд., 
перераб. и доп. / Ю.Г. Якушенков. – М.: Логос, 2020. – 376 с.: ил. 
(Новая университетская библиотека).

ISBN 978-5-98704-652-4

Изложены физические принципы работы и основы построения оптикоэлектронных приборов (ОЭП). Описаны типовые узлы ОЭП: источники и 
приемники оптического излучения, оптические системы, анализаторы изображения, сканирующие системы, модуляторы. Рассмотрены методы приема оптических сигналов, обобщенные структурные схемы ОЭП и способы 
выделения сигналов от объектов, наблюдаемых на фоне помех. Приведены 
методики расчета ряда основных параметров ОЭП, которые могут быть полезными при выборе того или иного ОЭП, предназначенного для использования в геодезической практике и дистанционном зондировании и оценке 
эффективности этого использования.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Геодезия и дистанционное зондирование» и специальности «Прикладная геодезия». Представляет интерес для специалистов, занимающихся 
топографо-геодезической деятельностью и дистанционным зондированием 
Земли, а также проектированием и эксплуатацией ОЭП различного назначения.

УДК 681.384.31
ББК 32.86-5-01

ISBN 978-5-98704-652-4
© Якушенков Ю.Г., 2020 
© Логос, 2020

Я49

Оглавление

Предисловие....................................................................................................9 

Часть I. Физические основы и элементы оптико-электронных  
приборов ......................................................................................................11

Глава 1. Общие сведения об оптико-электронных приборах .............11

1.1. Оптико-электронные приборы: определение,  

обобщенные схемы и методы работы.......................................11

1.2. Краткая классификация оптико-электронных приборов ........14 
1.3. Сравнение оптико-электронных приборов с визуальными 

оптическими и радиоэлектронными приборами .....................15 

1.4. Краткий исторический очерк и некоторые перспективы  

развития оптико-электронного приборостроения...................18 

Глава 2. Оптическое излучение. Источники излучения,  
используемые в оптико-электронных приборах ...................................23

2.1. Оптический спектр электромагнитных колебаний..................23
2.2. Основные энергетические и фотометрические величины 

и соотношения между ними.......................................................24

2.3. Система астрофизических звездных величин..........................31
2.4. Законы теплового излучения .....................................................35
2.5. Основные типы излучателей, применяемых  

в оптико-электронных приборах...............................................42

Глава 3. Распространение оптического излучения в атмосфере........60

3.1. Оптические характеристики атмосферы ..................................60
3.2. Поглощение излучения в земной атмосфере ...........................64 
3.3. Рассеяние излучения в атмосфере.............................................67 
3.4. Флуктуации прозрачности атмосферы и их влияние  

на работу оптико-электронного прибора .................................73

3.5. Рефракция оптических лучей.....................................................79 
3.6. Влияние атмосферы на контраст между наблюдаемым  

объектом и фоном.......................................................................81 

Глава 4. Оптическая система оптико-электронного прибора ............83

4.1. Назначение, структура и особенности оптической системы 

оптико-электронного прибора...................................................83

4.2. Критерии качества оптической системы 

оптико-электронного прибора...................................................86

Оглавление

4.3. Передающие оптические системы ...........................................90
4.4. Объективы ...................................................................................94
4.5. Конденсоры приемных оптических систем ............................99 
4.6. Оптические компенсаторы.......................................................105 
4.7. Бленды. Борьба с внешними и внутриприборными  

засветками в оптической системе ...........................................109 

4.8. Оптические фильтры ................................................................112 

Глава 5. Приемник излучения как звено оптико-электронного  
прибора
....................................................................................................117 

5.1. Краткая классификация приемников излучения,  

используемых в оптико-электронных приборах ...................117 

5.2. Параметры приемников излучения.........................................118 
5.3. Характеристики приемников излучения ................................125 
5.4. Паспортизация приемников. Пересчет их параметров .........128 
5.5. Основные виды приемников излучения, применяемых  

в оптико-электронных приборах.............................................135 

5.6. Многоэлементные приемники излучения ..............................149 
5.7. Многодиапазонные приемники излучения ............................160
5.8. Электронно-оптические преобразователи..............................162
5.9. Передающие телевизионные трубки.......................................169

Глава 6. Анализаторы изображения оптико-электронных  
приборов ....................................................................................................174 

6.1. Назначение анализаторов изображений 

и их классификация..................................................................174 

6.2. Основные параметры и характеристики анализаторов.........176 
6.3. Светоделительные амплитудные анализаторы......................178 
6.4. Амплитудно-фазовые анализаторы ........................................182 
6.5. Фазовые анализаторы изображения........................................187 
6.6. Частотные анализаторы ...........................................................189 
6.7. Времяимпульсные (фазоимпульсные) анализаторы .............191 
6.8. Многоэлементные приемники излучения как анализаторы 

изображений..............................................................................195 

6.9. Спектр сигнала на выходе многоэлементного анализатора 

изображений..............................................................................201

Глава 7. Сканирование в оптико-электронных приборах.................205 

7.1. Назначение и роль сканирования. Методы сканирования....205
7.2. Параметры и характеристики сканирующих систем.............210 
7.3. Механические и оптико-механические сканирующие  

системы......................................................................................217 

7.4. Фотоэлектронные сканирующие системы..............................224 

Оглавление
7

Глава 8. Модуляция и демодуляция сигналов в оптико-электронных 
приборах ....................................................................................................226

8.1. Назначение, классификация и особенности модуляции 

потока излучения .....................................................................226 

8.2. Демодуляция сигналов .............................................................233 
8.3. Потери мощности сигнала при модуляции ............................238 
8.4. Общая характеристика способов модуляции сигнала  

в оптико-электронных приборах.............................................239 

8.5. Модуляторы оптических сигналов, применяемые  

в оптико-электронных приборах.............................................242 

8.6. Пространственно-временн ´ые модуляторы (динамические 

транспаранты) ..........................................................................249 

Часть II. Основы теории приема сигналов в применении  
к оптико-электронным приборам...........................................................253

Глава 9. Основные методы приема оптических сигналов ...............253

9.1. Краткая классификация основных методов приема  

оптических сигналов ................................................................253

9.2. Гетеродинный прием оптических сигналов...........................255
9.3. Динамический метод приема (метод счета  

одноэлектронных импульсов) .................................................260

Глава 10. Обобщенные структурные схемы оптико-электронных 
приборов ....................................................................................................264

10.1. Структурная схема оптико-электронной измерительной  

и следящей системы .................................................................264

10.2. Структурная схема оптико-электронной системы  

визуализации и обработки изображений................................267 

10.3. Оптическая система как линейный фильтр..........................272 
10.4. Передаточная функция среды распространения 

излучения...................................................................................277

10.5. Передаточная функция оптико-электронной системы........282 

Глава 11. Фильтрация сигналов в оптико-электронных  

приборах ..........................................................................................287 
11.1. Спектральная оптическая фильтрация..................................287 
11.2. Пространственная фильтрация в некогерентных  

оптических системах................................................................292 

11.3. Фильтрация сигналов в электронном тракте........................297 
11.4. Оптическая корреляция..........................................................304 

Оглавление

Часть III. Методики расчета и выбора некоторых основных  
параметров и характеристик оптико-электронных приборов .........311

Глава 12. Энергетические расчеты оптико-электронных  
приборов ....................................................................................................311

12.1. Критерии качества оптико-электронных приборов.............311 
12.2. Обобщенная методика энергетического расчета.................312 
12.3. Расчет значений потоков и облученностей на входе  

оптико-электронного прибора.................................................315 

12.4. Расчет потерь потока в оптической системе........................325 
12.5. Расчет коэффициента полезного действия системы  

первичной обработки информации.........................................326

Глава 13. Расчет показателей эффективности работы  
оптико-электронных приборов ...............................................................329

13.1. Расчет вероятностей обнаружения сигнала на фоне 

помех..........................................................................................329 

13.2.  Расчет отношения сигнал-шум на выходе системы  

первичной обработки информации.........................................334 

13.3. Расчет пороговой чувствительности оптико-электронного 

прибора ......................................................................................339

13.4. Расчет дальности действия оптико-электронных  

приборов ...................................................................................342 

13.5. Основные этапы точностного расчета оптико-электронных 

приборов....................................................................................346 

13.6. Общая методика расчета инструментальных  

погрешностей............................................................................349

Глава 14. Расчет и выбор ряда конструктивных параметров  
оптико-электронных приборов ...............................................................351

14.1. Расчет основных конструктивных параметров оптической 

системы......................................................................................351

14.2. Выбор и расчет основных параметров источника  

излучения...................................................................................353

14.3. Выбор и расчет основных параметров приемника  

излучения...................................................................................355

14.4. Сравнительная оценка различных видов модуляции  

оптических сигналов. Выбор рабочих частот модуляции  
и ширины полосы пропускания...............................................358

14.5. Краткие сведения об испытаниях оптико-электронных 

приборов....................................................................................364

Список литературы ...................................................................................373

Предисловие

В настоящее время оптико-электронные приборы (ОЭП) используются для решения самых разнообразных задач: при линейных и угловых измерениях, автоматическом слежении и управлении, исследовании природных ресурсов и окружающей среды, обработке оптических 
изображений. Их применяют во всех отраслях народного хозяйства, 
науки, техники, в том числе в геодезии и дистанционном зондировании, и области приложения этих приборов непрерывно расширяются.
Курс «Основы оптико-электронного приборостроения» посвящен 
изложению физических принципов работы и построения ОЭП, описанию их типовых узлов, рассмотрению методов приема оптических 
сигналов и способов выделения сигналов от наблюдаемых объектов на 
фоне помех. При выборе или оценке эксплуатационных возможностей 
ОЭП для использования в геодезической практике важно владеть простейшими методиками расчета их основных параметров, что поможет 
оценить эффективность применения этих приборов. Данный курс является общепрофессиональным для студентов геодезических специальностей.
По сравнению с первым изданием учебника, вышедшим в свет в 
1977 г., книга существенно переработана и дополнена, что связано в 
первую очередь с появлением новых поколений элементной базы оптико-электронного приборостроения. 
Книга состоит из трех частей. В части I изложены сведения о законах оптического излучения и основных типах излучателей, используемых в оптико-электронном приборостроении. Затем кратко рассматриваются некоторые положения физической и атмосферной оптики.  
В последующих главах этой части описаны типовые узлы ОЭП, причем 
автор стремился подчеркнуть взаимосвязь их основных параметров и 
характеристик, единство структуры ОЭП как комплекса оптических, 
электронных и других звеньев. 
Сложность задач, решаемых оптико-электронным прибором, побуждает рассматривать его как часть общей системы обработки информации, причем последняя может состоять из большого числа устройств, 
различных по физическому принципу работы. Поэтому целесообразно 

Предисловие

при расчете ОЭП или оценке его эффективности воспользоваться положениями общей теории сигналов. Некоторым основным аспектам ее 
применения в оптико-электронном приборостроении посвящена часть II 
учебника, в которую включены разделы о методах приема оптических 
сигналов, структурных схемах типовых ОЭП и способах выделения 
сигналов на фоне помех. 
В части III учебника рассмотрены методы расчета основных параметров и характеристик ОЭП, базирующиеся на использовании обобщенных методик энергетического и точностного расчетов. Здесь же 
приводятся сведения о расчете наиболее важных для геодезической 
практики показателей эффективности и основных конструктивных параметров ОЭП.
При работе над новым изданием книги автор пользовался советами и помощью своих коллег по кафедре оптико-электронных приборов 
Московского государственного университета геодезии и картографии. 
Большой вклад в подготовку рукописи к печати внесла М.П. Андерсон, которой автор приносит искреннюю благодарность. Автор весьма 
признателен профессорам В.В. Коротаеву и В.В. Шлапаку за ценные 
предложения и замечания, сделанные ими в процессе рецензирования 
рукописи книги.

Часть I 
Физические основы и элементы  
оптико-электронных приборов

Глава 1. Общие сведения  
об оптико-электронных приборах

1.1. Оптико-электронные приборы: определение,  
обобщенные схемы и методы работы

Свойства электромагнитного излучения широко используются в 
современной науке и технике, особенно в бесконтактных дистанционных устройствах контроля, измерения, передачи и преобразования 
информации, сбора и передачи энергии и др. Среди приборов, основанных на использовании электромагнитного излучения, особое место 
занимают ОЭП, которым присущи высокая точность, быстродействие, 
возможность обработки многомерных сигналов и другие ценные для 
практики свойства.
Оптико-электронными называются приборы, в которых информация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптическим излучением (содержится в оптическом сигнале), а ее первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения 
в электрическую энергию. В состав этих приборов входят как оптические, так и электронные звенья, причем и те и другие выполняют 
основные функции данного прибора, а не являются вспомогательными 
устройствами (например, узлами подсветки отсчетных шкал, устройствами термостабилизации и т.д.).
Структура многих современных ОЭП достаточно сложна. Она 
включает большое число различных по своей физической природе и 
принципу действия звеньев – аналоговых и цифровых преобразователей сигналов, микропроцессоров, механических и электромагнитных 
узлов и др. Поэтому ОЭП часто называют оптико-электронными системами (ОЭС).

Глава 1. Общие сведения об оптико-электронных приборах

Действие ОЭП основано на приеме и преобразовании электромагнитного излучения в различных диапазонах оптической области спектра, т.е. в его ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) 
частях. Одна из возможных обобщенных схем работы ОЭП представлена на рис. 1.1. 
 

Рис. 1.1. Обобщенная схема работы ОЭП

Источник излучения естественного или искусственного происхождения создает материальный носитель полезной информации – поток 
излучения. Этим источником может быть сам исследуемый объект. 
Часто источник излучения дополняется передающей оптической системой, которая направляет поток на исследуемый объект или непосредственно в приемную оптическую систему (если наблюдается сам 
источник). Приемная оптическая система собирает поток, излучаемый 
наблюдаемым объектом или отраженный от него, формирует этот поток и направляет его на приемник излучения. Приемник превращает 
сигнал, переносимый потоком излучения (оптический сигнал), в электрический.
Источник излучения (с передающей оптической системой), приемная оптическая система, приемник излучения, а иногда и первые звенья следующего за приемником электронного тракта образуют систему первичной обработки информации ОЭП. Назначением ее является 
получение сигнала (информации) от наблюдаемого или исследуемого 
объекта в виде, удобном для дальнейшей обработки или использования. В данной книге рассмотрены в основном отдельные звенья этой 
системы и процессы обработки в ней сигнала – носителя полезной информации. Выходной блок формирует сигнал, по своим параметрам 
удовлетворяющий требованиям получателя информации.
Помимо исследуемого объекта («полезный» излучатель) на рис. 1.1 
показаны и возможные на практике «вредные» излучатели – фоны, по
Источник 
излучения

Фоны, 
помехи

Среда распространения 
излучения

Исследуемый 
объект

Приемная 
оптическая 
система

Приемник из- 
лучения

Элек- 
тронный 
тракт

Выход- 
ной 
блок

1.1. Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы...
13

мехи. Взаимное расположение звеньев может быть и несколько иным. 
Отдельные звенья на практике представляют собой весьма сложные 
устройства, например в состав источника излучения могут входить 
передающая оптическая система, фильтры, модулятор и др. Иногда в 
состав ОЭП не входят некоторые из перечисленных звеньев. Это определяется, как правило, методом работы прибора.
При активном методе работы (рис. 1.2, а) исследуемый или наблюдаемый объект 2 облучается источником электромагнитных волн 1,
параметрами и характеристиками которого может управлять оператор, 
проводящий исследование и наблюдение. При этом наилучшим образом удается согласовать параметры источника 1 (передающей системы), объекта 2, среды распространения излучения и приемной системы 3. Это очень часто позволяет решить задачу помехозащищенности 
ОЭП, например достаточно эффективно отделить полезный сигнал от 
сигнала помехи.

                    а)                                        б)                                         в)

Рис. 1.2. Методы работы ОЭП: 
а – активный; б – пассивный; в – полуактивный

При реализации активного метода необходимо иметь специальный 
источник, который иногда бывает достаточно сложным, громоздким и 
потребляет большую мощность.
При пассивном методе работы (рис. 1.2, б) используется собственное излучение наблюдаемого объекта 2, которое принимает ОЭП 3, а 
часто и отраженное от объекта излучение, создаваемое другими источниками естественного и искусственного происхождения. 
Иногда искусственный или естественный источник 1 облучает не 
один, а ряд объектов 2', 2'', 2''' и т.д. (рис. 1.2, в). Как правило, ОЭП 
должен выделить поток, отраженный от одного из них, причем часто 
параметрами излучения, облучающего объекты, управлять нельзя (например, в случае использования естественной освещенности). Такой 
метод работы обычно называют полуактивным.

2

1

3

2
3
2''

2'

2'''

1

3

Глава 1. Общие сведения об оптико-электронных приборах

При всех методах для повышения помехозащищенности приходится особенно тщательно следить за оптимальным соотношением между 
параметрами и характеристиками ОЭП, объекта и среды распространения излучения.

1.2. Краткая классификация  
оптико-электронных приборов
Признаки, по которым классифицируют ОЭП, самые различные. 
Наиболее многочисленную группу составляют приборы, предназначенные для передачи, приема, обработки и хранения информации. 
Другую группу составляют приборы, предназначенные для передачи, 
приема и использования энергии. В настоящей книге рассмотрены в 
основном вопросы, относящиеся к расчету ОЭП первой группы, хотя 
физические принципы работы приборов обеих групп одинаковы.
По спектральному рабочему диапазону излучения различают приборы для работы в ультрафиолетовой (УФ-приборы), видимой и инфракрасной (ИК-приборы) областях спектра.
Выделяют автоматические ОЭП, в которых весь цикл обработки 
информации проходит без участия человека-оператора, и неавтоматические, где роль человека в решении поставленной задачи зачастую 
является определяющей. Например, существенные различия имеют 
такие ОЭП, как полностью автоматические системы самонаведения, и 
приборы, использующие электронно-оптические преобразователи для 
определения направления на излучатель. Причем последние служат 
как бы связующим звеном между оптической системой, работающей 
в невидимой части спектра, и человеческим глазом, осуществляющим 
опознавание и выделение излучателя.
По назначению ОЭП и ОЭС можно подразделить на несколько 
больших классов: информационно-измерительные приборы, следящие 
системы, приборы и системы обнаружения, визуализации, обработки и 
распознавания изображения. Внутри этих классов выделяют поисковые 
системы, радиометры и спектрорадиометры, угломерные (пеленгаторы) 
и дальномерные (локаторы) ОЭП, ОЭС связи, контрольно-юстировочные ОЭП, системы технического зрения роботов, ОЭС для исследования 
природных ресурсов и ряд других. К настоящему времени уже сложились достаточно специфичные для каждой из этих групп конструктивные признаки, учитывающие специфику условий работы прибора. 

Доступ онлайн
400 ₽
В корзину