1. Определение ОЭП. Обобщенная структурная схема электронно-оптического прибора. Области применения О и ОЭП. Методы работы ОЭП.
Оптико-электронными называются приборы, в которых обработка информации, содержащаяся в потоке излучения, сопровождается преобразованием лучистой энергии в электрическую. Благодаря этому образуется единый оптико-электронный тракт обработки информации.
Источник излучения
Приемная ОС
Исследуемый объект
Фоны, помехи
Приемник излучения
Электронный тракт
Выходной блок
Области использования оптико-электронных приборов:
- линейные и угловые измерения
- автоматическое слежение и управление
- исследование природных ресурсов и окружающей среды
- системы обнаружения
Основными областями применения оптико-электронных систем являются геодезия и картография, строительное и горное дело, траекторные измерения космических объектов в системах Земля—Космос и космических комплексах (сближение и стыковка), калибровка радиолокационных измерителей и получение метеоинформации, управление оружием и системой передачи информации, медицинское оборудование и многое др. Часто оптико-электронные системы работают в комплексе с системами других диапазонов.
Свойства электромагнитного излучения используются в различных приборах и устройствах: бесконтактных, дистанционных устройствах контроля, измерения, передачи и преобразования информации, сбора и передачи энергии и других. Особое место среди них занимают ОЭП, которым свойственны высокая точность, быстродействие, возможность работы как в пассивном, так и в активном режимах.
Использование ОЭП в совокупности с компьютерами, или ввод в состав ОЭП микропроцессоров позволяет заметно расширить возможности ОЭП, например, повысить их точность и быстродействие, а в ряде случаев и решить недоступные ранее им задачи.
По сравнению с радиоэлектронными приборами, которые, в принципе, позволяют решать те же задачи, что и ОЭП (угловые и дальномерные измерения, пеленгация) последние, т.е. оптико-электронные приборы – обладают рядом преимуществ:
большей разрешающей способностью, что обусловлено работой на меньших длинах волн,
– меньшие размеры и масса, поскольку важнейший габаритный размер D – диаметр входного зрачка системы у ОЭП значительно меньше, чем у радиоэлектронных.
Основные недостатки ОЭП по сравнению с радиоэлектронными приборами:
большое ослабление оптического излучения в мутных средах (в атмосфере);
значительное число помех в виде естественных и искусственных излучателей (небесные тела, ландшафт, детали самого прибора)
Поэтому в наиболее сложных случаях создают комбинированные системы, включающие как оптико-электронные, так и радиоэлектронные каналы.
Методы работы: амплитудные/фазовые.
2. Источники излучения. Классификация источников излучения. Основные энергетические характеристики для расчета параметров источников излучения.
Первичные источники - генераторы излучения.
Вторичные источники - поверхности нечерных тел, коэффициенты отражения которых отличны от нуля.
По виду излучения источники делятся на три класса:
1) источники теплового (температурного) излучения, у которых излучение является следствием их нагрева и зависит только от температуры. В процессе излучения никаких изменений в составе тел не происходит за исключением изменения их теплового состояния;
2) люминесцентные источники излучения, у которых независимо от теплового состояния изучающего вещества в излучение непосредственно превращается какой-либо вид энергии, кроме тепловой.
3) источники смешанного излучения, в которых одновременно происходят электролюминесценция и тепловое излучение.
Источники излучения классифицируют также по происхождению:
- естественные (природные) источники, излучающие в результате протекания природных процессов (Земля и земная поверхность, атмосфера, Солнце, планеты, звёзды);
- искусственные источники, которые в свою очередь подразделяются на следующие подгруппы:
1) эталонные или измерительные источники излучения, предназначенные для градуировки аппаратуры и приборов, измерения различных характеристик (чувствительности приемников излучения, пропускания материалов и различных сред), к этой подгруппе относятся эталонные лампы, АЧТ;
2) технические источники, специально предназначенные для излучения, концентрации и передачи энергии, но не в измерительных целях;
3) побочные источники, не создаваемые специально для излучения, но имеющие его как следствие – самолеты, космические аппараты, корабли, промышленные объекты и т.д.
Основные энергетические характеристики для расчета параметров источника излучения:
энергия излучения (мощность)
поток излучения;
энергетическая яркость;
энергетическая светимость;
энергетическая освещенность;
спектральный состав;
пространственная диаграмма излучения
3. Источники некогерентного оптического излучения - основные группы.
Источники некогерентного оптического излучения по физической природе можно разделить на следующие группы:
источники теплового излучения, возникающего в результате нагрева твердых тел или сжигания горючего вещества;
электролюминесцентные источники излучения, возникающего при прохождении электрического тока через газ или пары металлов;
источники смешанного излучения, в которых одновременно происходят электролюминесценция и тепловое излучение.
В качестве источников некогерентного ИК-излучения служат электрические излучатели с открытыми телами накалаи ИК-излучате-ли с телами накалав стеклянных оболочках.
В натриевых и ртутных лампах в качестве источника света используется дуга с горячим катодом, которая зажигается в парах указанных элементов.
Мощным импульсным источником некогерентного света является искровой разряд, примером которого может служить вспышка молнии.
Излучение некогерентных источников является результатом генерации колебаний огромного множества атомов (ионов, молекул). При этом фаза, частота и амплитудаколебаний, соответствующие излучениям отдельных атомов,хаотически меняютсяс очень большой скоростью по случайному закону. Каждый атом, ион и молекула излучают независимо друг от друга, и излучение их начинается в различные моменты времени. Излучение обычного источника света более похоже на статистический шум, чем на излучение какой-то определенной частоты. Такое излучениене является когерентным.
Колебания некогерентных источников нельзя преобразовать, т. е. нельзя, например, применить частотную или фазовую модуляцию для передачи информации, принципиально нельзя осуществлять супергетеродинный прием таких излучений и т. д.
Некогерентные источники излучения:
Лампы накаливания
Галогенные лампы
Штифт Нернста, силитовый излучатель, темные излучатели, трубчатые кварцевые излучатели
Глобар
4. Источники излучения в оболочках, классификация, виды. Галогенные лампы накаливания.
Галогенные лампы.Галогенная лампа накаливания представляет собой лампу, в колбу которой вводится небольшое количествогалогена, обычно йода или брома. Распыленный нитью вольфрам соединяется с галогеном, в результате чего образуется газообразное вещество — галогенид вольфрама. Эта реакция присоединения происходит при температуре 573 K, близкой к температуре колбы. При температуре, близкой к температуре нагретой нити лампы, галогенид вольфрама распадается на галоген и восстановленный фольфрам, который частично оседает на спирали. Такое возвращение распыленного вольфрама на спираль лампы устраняет его напыление на стенки колбы и удлиняет срок службы лампы.
Более того, такие лампы практически не искажают цвета освещаемых предметов.
Лампы накаливания с галогенным циклом имеют срок службы в два-три раза больший, чем обычные лампы, а при одинаковом сроке службы имеютболее высокую световую отдачуи меньшие размеры тела накала. Температуру нити можно довести до 3400 K (Tпл=3600 K).
Колбы ламп изготавливают из кварца или тугоплавкого стекла, так как для обеспечения галогенного цикла они должны нагреваться до 573 K.
Обозначают галогенные лампы аналогично лампам накаливания для оптических приборов: К — кварцевая; Г — галогенная; Д — дифференциального излучения; К — с концентрированным телом накала; М — малогабаритная; МН — миниатюрная; СМ
5. Эталонный источник излучения. Определение, назначение. Модель АЧТ. Понятие термодинамического равновесия.
Согласно Международному соглашению эталонным источником света служит излучатель, обладающий свойствами «абсолютно черного тела» с отверстием площадью в 1/60 кв см, температурой 2042 градуса по Кельвину (температура затвердевания платины) и нормальным атмосферным давлением.
Назначение:
Абсолютно чёрное тело — физическая идеализация, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.
Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет собой замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но при нагревании этой полости у неё появится собственное видимое излучение. Поскольку излучение, испущенное внутренними стенками полости, прежде, чем выйдет (ведь отверстие очень мало), в подавляющей доле случаев претерпит огромное количество новых поглощений и излучений, то можно с уверенностью сказать, что излучение внутри полости находится в термодинамическом равновесии со стенками.
-
сила излучения эталона (эталонный
излучатель или черное тело) при температуре
затвердевания платины (
) площадью
.