Теория и расчет оптико-электронных приборов

ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

                  Книги — это корабли мысли, странствующие по волнам времени и бережно несущие свой драгоценный груз от поколения к поколению.


Ф. Бэкон

Ю.Г. Якушенков





            ТЕОРИЯ И РАСЧЕТ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ


б-е издание, переработанное и дополненное




Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области приборостроения и оптотехники в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 200200 — «Оптотехника»










Москва • Логос • 2020

УДК 681.78.01 (075.8)
ББК 32.86-5-01
     Я49

Учебник удостоен премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники

Рецензенты
В.В.Коротаев, доктор технических наук, профессор (Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики) Г.М. Мосягин, доктор технических наук (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана)

Я49 Якушенков Ю.Г.
        Теория и расчет оптико-электронных приборов: учебник / Ю.Г. Якушенков — 6-е изд., перераб. и доп. — М.: Логос, 2020— 568 с.: ил.

        ISBN 978-5-98704-533-6


        Изложены физические основы построения оптико-электронных приборов (ОЭП). Описаны типовые узлы системы первичной обработки информации ОЭП: источники и приемники оптического излучения, оптическая система, анализаторы изображения, сканирующие системы, модуляторы. Рассмотрены основы общей теории приема сигналов применительно к ОЭП. Особое внимание уделено расчету и выбору параметров и характеристик типовых узлов системы первичной обработки информации оптико-электронного прибора с точки зрения оптимального их согласования между собой. В отличие от 5-го издания во введение и четвертый раздел включены данные о новых оптических материалах, появившихся в последние годы, а в пятом разделе приведены сведения о перспективных многоэлементных приемниках излучения.
        Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 200200 — «Оптотехника». Представляет интерес для специалистов, занимающихся проектированием ОЭП различного назначения.


                                                   УДК 681.78.01 (075.8)
                                                   ББК 32.86-5-01


ISBN 978-5-98704-533-6

       © Якушенков Ю.Г., 2020
       © Логос, 2020

ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие.............................................11
Введение. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ.........................................13
   В.1. Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы и методы работы.............................13
   В.2. Краткая классификация оптико-электронных приборов 16
   В.3. Сравнение оптико-электронных приборов с визуальными оптическими и радиоэлектронными приборами.........17
   В.4. Краткий исторический очерк и некоторые перспективы развития оптико-электронного приборостроения.....21

Часть I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ....................................27
Глава 1. СИГНАЛЫ И ПОМЕХИ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ................................................27
   1.1. Детерминированные сигналы и способы их описания.27
   1.2. Случайные сигналы и способы их описания.........42
   1.3. Информационные характеристики сигналов..........48
   1.4. Некоторые особенности оптических сигналов.......51
Глава 2. ОПТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ...........................55
   2.1. Оптический спектр электромагнитных колебаний....55
   2.2. Основные энергетические и фотометрические величины и соотношения между ними.........................56
   2.3. Система астрофизических звездных величин........64
   2.4. Основные параметры и характеристики излучателей.68
   2.5. Законы теплового излучения......................72
Глава 3. ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАБОТУ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
ПРИБОРОВ................................................79

Оглавление

    3.1. Общие вопросы распространения излучения в атмосфере .... 79
    3.2. Поглощение излучения в земной атмосфере.......83
    3.3. Рассеяние излучения в атмосфере...............91
    3.4. Флуктуации прозрачности атмосферы и их влияние на работу оптико-электронного прибора........................97
    3.5. Рефракция оптических лучей...................104
    3.6. Влияние атмосферы на контраст между наблюдаемым объектом и фоном...................................106
Глава 4. ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА...........................................109
    4.1. Назначение, структура и особенности оптической системы оптико-электронного прибора........................109
    4.2. Критерии качества оптической системы оптико-электронного прибора........................114
    4.3. Передающие оптические системы................117
    4.4. Объективы....................................123
    4.5. Конденсоры приемных оптических систем........127
    4.6. Оптические компенсаторы......................135
    4.7. Бленды. Борьба с внешними и внутриприборными засветками в оптической системе...................138
    4.8. Оптические фильтры...........................142
    4.9. Материалы оптических систем оптико-электронных приборов ........................................ 147
    4.10. Атермализация и ахроматизация оптической системы оптико-электронного прибора путем выбора надлежащих оптических материалов..............................158
Глава 5. ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ КАК ЗВЕНО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА...........................163
    5.1. Краткая классификация приемников излучения, используемых в оптико-электронных приборах........163
    5.2. Параметры приемников излучения...............164
    5.3. Характеристики приемников излучения..........172
    5.4. Паспортизация приемников. Пересчет их параметров.176
    5.5. Основные виды приемников излучения, применяемых в оптико-электронных приборах.........183

Оглавление

7

   5.6. Одноэлементные координатные (позиционно-чувствительные) и развертывающие приемники излучения.....196
   5.7. Многоэлементные приемники излучения...........203
Глава 6. АНАЛИЗАТОРЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ..............................220
   6.1. Назначение анализаторов изображений и их классификация................................220
   6.2. Основные параметры и характеристики анализаторов.224
   6.3. Светоделительные амплитудные анализаторы.........225
   6.4. Амплитудно-фазовые анализаторы...................229
   6.5. Фазовые анализаторы изображения..................235
   6.6. Частотные анализаторы ...........................237
   6.7. Времяимпульсные (фазоимпульсные) анализаторы.....238
   6.8. Анализаторы на базе аналоговых полупроводниковых первичных преобразователей........................243
   6.9. Многоэлементные (мозаичные и матричные) приемники излучения как анализаторы изображений.............246
   6.10. Спектр сигнала на выходе многоэлементного анализатора изображений...........................256
Глава 7. СКАНИРОВАНИЕ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ...........................................261
   7.1. Назначение и роль сканирования. Методы сканирования.... 261
   7.2. Параметры и характеристики сканирующих систем....267
   7.3. Механические и оптико-механические сканирующие системы...........................................275
   7.4. Фотоэлектронные сканирующие системы..............283
   7.5. Сканирующие системы с электрическим управлением пространственным положением оптического пучка.....287
Глава 8. МОДУЛЯЦИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛОВ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ......................289
   8.1. Назначение, классификация и особенности модуляции потока излучения..................................289
   8.2. Демодуляция сигналов............................ 297
   8.3. Потери мощности сигнала при модуляции............304
   8.4. Общая характеристика способов модуляции сигнала в оптико-электронных приборах.....................307

Оглавление

    8.5. Модуляция оптических сигналов с помощью растров.310
    8.6. Электрооптические и некоторые другие типы модуляторов.......................................316
    8.7. Пространственно-временные модуляторы (динамические транспаранты).......................319

Часть II. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРИЕМА СИГНАЛОВ
В ПРИМЕНЕНИИ К ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМ ПРИБОРАМ ... 327
Глава 9. ОБОБЩЕННЫЕ СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ..............................327
    9.1. Структурная схема оптико-электронной следящей системы...........................................327
    9.2. Структурная схема оптико-электронной системы визуализации и обработки изображений..............331
    9.3. Структурная схема оптико-электронной системы обнаружения.......................................336
    9.4. Оптическая система как линейный фильтр (преобразование Фурье в некогерентной оптической системе).........340
    9.5. Передаточная функция среды распространения излучения ........................................348
    9.6. Спектр детерминированного сигнала на выходе подвижного растрового анализатора.................353
    9.7. Спектр сигнала на выходе многоэлементного приемника излучения...............................358
    9.8. Передаточная функция оптико-электронной системы.361
9.9. Прохождение случайного сигнала через систему первичной обработки информации....................366
Глава 10. ФИЛЬТРАЦИЯ СИГНАЛОВ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ.......................371
    10.1. Общие сведения об оптимальных методах приема сигналов при наличии помех.................................371
    10.2. Оптимальная фильтрация при обнаружении сигнала на фоне помех.....................................374
    10.3. Оптимальная фильтрация при измерении параметров сигнала................................385

Оглавление

9

    10.4. Спектральная оптическая фильтрация...............391
    10.5. Пространственная фильтрация в некогерентных оптических системах...............................399
    10.6. Обнаружение движущихся объектов с помощью пространственно-временнО й фильтрации............409
    10.7. Медианная фильтрация............................416
    10.8. Пространственная фильтрация в когерентных оптических системах..............................419
    10.9. Фильтрация сигналов в электронном тракте .......426
    10.10. Оптическая корреляция..........................435
    10.11. Общие сведения из теории распознавания образов.447
    10.12. Нейронные сети в оптико-электронных системах...457
Глава 11. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРИЕМА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ..............................463
    11.1. Краткая классификация основных методов приема оптических сигналов..............................463
    11.2. Гетеродинный прием оптических сигналов..........466
    11.3. Динамический метод приема (метод счета одноэлектронных импульсов) ......................471
Глава 12. АДАПТАЦИЯ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ..........................................475
    12.1. Общие сведения о применении адаптации в оптико-электронных приборах....................475
    12.2. Адаптация чувствительности......................478
    12.3. Адаптация углового поля.........................481
    12.4. Адаптация параметров оптического и пространственного фильтров.........................................483
    12.5. Изменение структуры прибора.....................485
    12.6. Адаптивные оптико-электронные системы с компенсацией фазовых искажений оптического сигнала............486
    12.7. Адаптация в крупногабаритных оптических системах.492

Часть III. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ
    ПРИБОРОВ............................................. 495

Оглавление

Глава 13. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ОПТИКОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ...............................495
    13.1. Критерии качества оптико-электронных приборов.495
    13.2. Обобщенная методика энергетического расчета...500
    13.3. Расчет значений потоков и облученностей на входе оптико-электронного прибора........................504
    13.4. Расчет потерь потока в оптической системе.....517
    13.5. Расчет коэффициента полезного действия системы первичной обработки информации......................518
    13.6. Расчет вероятностей обнаружения сигнала на фоне помех...............................................520
    13.7. Расчет отношения сигнал-шум на выходе системы первичной обработки информации......................525
    13.8. Расчет пороговой чувствительности оптико-электронного прибора.............................................534
    13.9. Расчет температурной разрешающей способности оптико-электронного прибора и эквивалентных шуму разностей излучательных и отражательных способностей .... 538
    13.10. Расчет дальности действия оптико-электронных приборов............................................543
Глава 14. ТОЧНОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ .............................................. 549
    14.1. Критерии точности, классификация приборных погрешностей и ошибок измерений.....................549
    14.2. Основные этапы точностного расчета оптико-электронных приборов............................................552
    14.3. Расчет потенциальной точности оптико-электронного прибора.............................................553
    14.4. Расчет динамических погрешностей при детерминированных входных воздействиях................................555
    14.5. Расчет флуктуационных погрешностей при действии стационарных случайных помех.......................557
    14.6. Общая методика расчета инструментальных погрешностей.......................................559
    14.7. Определение функций ошибок....................561

Список литературы.......................................564

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, и области приложения этих приборов непрерывно расширяются.
  Цель настоящей книги — познакомить читателя с физическими основами оптико-электронного приборостроения, с принципами работы ОЭП и их основными элементами, а также описать методы обработки сигналов, и прежде всего методы их выделения на фоне помех, применяемые в ОЭП. Изложение этих вопросов завершается рассмотрением методов расчета важнейших параметров и характеристик ОЭП, составляющих основу первого этапа проектирования нового прибора или оценки его применимости для решения большинства практических задач.
  Книга состоит из трех частей. В части I кратко изложены сведения о достаточно общих способах представления детерминированных и случайных сигналов, а также некоторые положения физической и атмосферной оптики. Затем описаны типовые узлы системы первичной обработки информации ОЭП, причем автор стремился подчеркнуть взаимосвязь их основных параметров и характеристик, единство структуры ОЭП как комплекса оптических, электронных и других звеньев. Узлы типового ОЭП, образующие систему вторичной обработки информации (электронные усилители и фильтры, счетно-решающие, гироскопические, электромеханические и другие устройства), в книге не рассмотрены, так как их физическим основам и методам расчета и проектирования посвящены отдельные учебные курсы и обширная литература.

Предисловие

   Сложность задач, решаемых ОЭП, побуждает в процессе их анализа или синтеза уже на первых этапах проектирования рассматривать этот прибор как часть общей системы обработки информации, причем последняя может состоять из большого числа устройств, различных по физическому принципу работы. Поэтому целесообразно 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 способах представления ОЭП в виде линейного фильтра, а также о некоторых элементах теории оптимального приема сигналов на фоне помех и способах их практической реализации в ОЭП.
   В части III учебника рассмотрены методы расчета основных параметров и характеристик ОЭП, базирующиеся на использовании обобщенной методики энергетического расчета. В отдельную главу выделены методы расчета точности, являющейся одним из важнейших критериев качества многих современных ОЭП.
   Настоящее издание учебника несколько переработано по сравнению с одноименным учебником, вышедшим в 2004 г. в издательстве «Логос». Отображены некоторые новые тенденции развития ОЭП, приведены краткие сведения о новых типах многоэлементных приемников оптического излучения, отмечена роль компьютерного моделирования в процессе разработки ОЭП. Хотя книга является учебником для студентов вузов, она рассчитана также на достаточно широкий круг читателей, знакомых с основами физической и прикладной оптики, электроники, теории сигналов. Небольшое количество изменений связано главным образом с развитием элементной базы оптико-электронного приборостроения. Кроме того, устранен ряд имевшихся досадных опечаток, а также обновлен список литературы.
   При работе над новым изданием книги автор пользовался советами и помощью своих коллег, как по кафедре оптико-электронных приборов Московского государственного университета геодезии и картографии, так и по однотипным кафедрам других вузов. Всем им он приносит глубокую благодарность.

ВВЕДЕНИЕ


ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ


В.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 свойственны 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 электрических сигналов, микропроцессоров, механических и электромагнитных узлов и др. Поэтому ОЭП часто называют оптико-электронными системами (ОЭС).

Введение. Общие сведения об оптико-электронных приборах

  Действие ОЭП основано на приеме и преобразовании электромагнитного излучения в различных диапазонах оптической области спектра, т. е. в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) частях его. Одна из возможных обобщенных схем работы ОЭП представлена на рис. В.1.


।---------------------------------------------------------1

।_________________________________________________________।

Рис. В.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

В.1. Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы... 15

дальнейшей обработки или использования. В настоящей 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. В.1. показаны и возможные на практике «вредные» излучатели (фоны, помехи). 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 включаются некоторые из перечисленных звеньев. Это определяется, как правило, методом работы прибора.
  При активном методе работы (рис. В.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. В.2. Методы работы ОЭП: а — активный; б — пассивный; в — полуактивный

Введение. Общие сведения об оптико-электронных приборах

  При реализации активного метода необходимо иметь специальный источник, который иногда бывает достаточно сложным, громоздким и потребляет большую мощность.
  При пассивном методе работы (рис. В.2, б) используется собственное излучение наблюдаемого объекта 2, которое принимает ОЭП 3, а в некоторых случаях 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. В.2, в). Как правило, ОЭП должен выделить поток, отраженный от одного из них, причем обычно параметрами излучения, облучающего объекты, управлять нельзя (например, в случае использования естественной освещенности). Такой метод работы называют полуактивным.
  При всех методах для повышения помехозащищенности приходится особенно тщательно следить за оптимальным соотношением между параметрами и характеристиками ОЭП, объекта и среды распространения излучения.




В.2.  Краткая классификация оптико-электронных приборов
  Признаки, по которым классифицируют ОЭП, самые различные. Наиболее многочисленную группу составляют ОЭП, 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