2.4. Оценка дальности действия оэп

Дальность действия ОЭП определяется на основе проведения энергетического расчета, задачей которого является определение значений некоторых параметров прибора, при которых на выходе приемника излучения обеспечивается требуемое соотношение между полезным сигналом и сигналами внешних и внутренних шумов. Эта задача сводится к вычислению либо пороговой чувствительности и дальности действия прибора при заданных параметрах, либо к нахождению этих параметров по заданным дальности или пороговой чувствительности.

При энергетическом расчете ОЭП оценка его предметов может проводиться для одного или нескольких возможных ситуаций: объект наблюдается на неизлучающем фоне, объект наблюдается на равномерно излучающем фоне, объект наблюдается на неравномерно излучающем фоне. В любом из указанных случаев исходным для энергетического расчета являются данные, характеризующие излучение объекта, фона, спектральную прозрачность среды и элементов оптической системы, чувствительность приемника излучения.

В зависимости от назначения ОЭП разработчику могут задаваться в качестве исходных следующие варианты:

1. Известны спектрально-энергетические характеристики излучателя, измеренные экспериментально:

а) функция, характеризующая распределение излучения в пространстве, заданная графически в виде I_э = f(θ), где θ – направление излучения;

б) функция, характеризующая спектральный состав излучения, для каждого направления, заданная в относительных единицах в виде m_λотн = f(λ) при θ₁ = θ₂ = …= θ_n = θ = const.

Дальность действия ОЭП в этом случае можно оценить по формуле

, (2.19)

где S_пр – площадь входного зрачка прибора, м²; Ф^*_пасп – паспортный пороговый поток, Вт/Гц^1/2;

Δf – полоса пропускания электронного тракта, Гц; n – отношение сигнал/шум; η_m – коэффициент, учитывающий эффективность вида модуляции сигнала; φ – угол между осью оптической системы прибора и линией визирования.

Коэффициент k_эф учитывает влияние на значение пороговой чувствительности отклонения выбранного режима фотодетектора ФПУ от паспортного. Этот коэффициент учитывает изменение (увеличение) значения порогового потока при отклонении режимов фотодетектора от паспортных за счет изменения частоты модуляции k_f , температуры окружающей среды k_Т, величины фонового сигнала k_ф, величины питающего напряжения k_U. Результирующая величина коэффициента равна

Входящие в формулу величины η_θ и η_ст характеризуют эффективность работы фотоприемника по реальному и стандартному источникам излучения. Коэффициент η_θ равен отношению интеграла

,

определяющего долю потока излучения реального излучателя, используемого фотодетектором, к полному потоку излучения объекта в сторону измерителя, определяемому интегралом

.

Коэффициент η_ст учитывает эффективность работы фотодетектора по источнику излучения со стандартной температурой Т_ст при снятии его паспортных характеристик и определяется отношением

.

Коэффициент η_m учитывает эффективность использованного метода модуляции потока излучения и определяется отношением мощности, используемого для формирования полезной информации, к мощности всего сигнала.

2. Известно, что распределение интенсивности в пространстве определяется функцией I_θ = f(θ), а спектр излучения объекта можно считать близким спектру излучения АЧТ при температуре Т.

Для этого случая максимальная дальность действия ОЭП определяется формулой

, (2.20)

где Т – температура излучающей поверхности, К; Т_ст – температура излучателя, при которой снимались параметры фотодетектора, К; S_λ – спектральная чувствительность фотодетектора; S_вх – площадь входного зрачка оптической системы; m_{λотн ачт} – относительная спектральная энергетическая светимость АЧТ; m_{λотн ст} - относительная спектральная энергетическая светимость АЧТ при температуре Т_ст; τ_λа – спектральный коэффициент пропускания атмосферы; τ_λо - спектральный коэффициент пропускания оптической системы ФПУ.

2. Излучатель задан в виде диффузно-рассеивающей поверхности, имеющей характеристики близкие к характеристикам АЧТ при температуре Т.

Максимальная дальность действия прибора в этом случае определяется формулой:

(2.21)

2. Для ряда задач, решаемых приборами астроориентации, требуется определение площади входного зрачка прибора. При этом исходной информацией об источнике излучения является создаваемая им освещенность Е_вх входного зрачка ФПУ. Площадь входного зрачка, можно найти, воспользовавшись формулой:

(2.22)

Часто в справочных данных по фотодетекторам приведенный пороговый поток дается либо в лм/Гц^1/2 , либо в виде максимальной обнаружительной способности. В этом случае для перехода к Ф^*_пасп можно воспользоваться следующими двумя формулами:

(2.23)

(2.24)

где - коэффициент использования фотодетектором излучения эталонного источника; D^* - максимальная обнаружительная способность, смГц^1/2/Вт;

S_п – площадь чувствительного слоя ПЛЭ, см²; - эффективность использования глазом энергии эталонного источника; V_max – максимальный коэффициент видности глаза; V_λ – функция относительной видности глаза.

2.5. Порядок выполнения энергетического расчета

1. На основе данных технического задания в энергетическом расчете должны быть определены все величины, входящие в расчетные формулы (2.1-2.4). Величины T, ε_Т, S, I и m_{λотн ачт} определяются типом излучателя, и находятся по его характеристикам.

Функцию вида рассчитывают, используя закон Планка [4].Функция относительной энергетической светимости вида , входящая в формулы (2.1, 2.3) находится путем перехода от единой изотермической кривой Планка при заданной величине температуры источника излучения посредством изменения масштаба по оси абсцисс на величину λ_m. Для оценки длины волны, на которой функция имеет максимальное значение, можно воспользоваться законом Вина и по формуле (2.2) найти ее значение.

Используя формулу (2.4), рассчитать и построить индикатрису энергетической силы света объекта, по заданным его характеристикам. Необходимо будет выбрать вид объекта (рис.2.1).

2. Спектральный коэффициент пропускания атмосферы на заданной высоте H рассчитывается по методике изложенной в п. 2.2.1 или в литературе [8].

3. Характеристики пропускания оптической системы находятся с учетом типа оптической системы, материалы и толщины ее компонентов.

Оптическая система показана на рис.2.5а и состоит из последовательно расположенных в направлении потока излучения защитного стекла 1(LiF), зеркального объектива 2 (К-8 с отражающим покрытием), плоского зеркала 3 (К-8 с отражающим покрытием), корректирующей германиевой линзы 4 (просветленной ZnS), подложки модулирующего растра 5 (сапфир).

Если по техническому заданию конструктивные параметры оптической системы неизвестны, то предварительно можно задаться размером входного зрачка и применительно к нему определять поперечные размеры и толщину всех компонентов , , , , , , , , относительное отверстие 1:1.

Спектральный коэффициент пропускания оптической системы можно представить в виде произведения спектральных коэффициентов пропускания отдельных элементов:

,

в котором τ_λ1 – спектральный коэффициент пропускания защитного стекла, τ_λл – спектральный коэффициент пропускания германиевой линзы, τ_λр - спектральный коэффициент пропускания растра, ρ_λз - спектральный коэффициент отражения зеркала.

Для расчета можно использовать методику, изложенную в п. 2.2.2.

Спектральный коэффициент пропускания просветленной линзы находят по формуле:

,

где μ_λ – удельный коэффициент поглощения материала, 1/см; d_л – толщина детали; ρ_λ – спектральный коэффициент отражения на каждой поверхности линзы. Эти коэффициенты целесообразно рассчитывать, используя [2, с. 236-262].

4. Интенсивность потока излучения, приходящего на ФПУ зависит от величины освещенности Е_вх входного зрачка ФПУ, создаваемой объектом, и рассчитывается по методике, изложенной в п.2.3.

5. После этого переходят к выбору типа растра и полос пропускания. Для введения информации в данной работе рекомендуется использовать амплитудно-фазовую двухчастотную модуляцию, которая обеспечивается растром, вращающимся со скоростью n и выполненным по типу рис.2.5б. При такой модуляции наилучшее отношение сигнал/шум достигается при обработке сигнала на частоте несущего колебания с включением двух боковых гармоник. При этом частота первой гармоники равна:

,

частота несущего колебания зависит от числа секторов m и равна

,

а полоса пропускания определяется Δf = (f_н + f₀) = 2 f₀.

Также необходимо определить период оборота анализатора и период повторения импульса .

6. Входящие в формулы (2.19-2.22) величины Ф^*_пасп, F^*_пасп, Т_ст, k_эф и функции S_λ, S_λ = f(λ), m_{λотн ст.} = f(λ) определяют требования к приемнику лучистой энергии и становятся известны только после его выбора, который проводится с учетом анализа ряда величин, входящих в формулы (2.22-2.23), связанных с качественными его показателями. К таким величинам относятся Ф^*_пасп, k_эф, , , , .

Основанием для выбора приемника излучения являются: необходимость обеспечения фотометрической точности при заданном отношении сигнала к шуму на выходе прибора, область спектральной чувствительности, которая должна соответствовать рабочему спектральному диапазону прибора; пороговая чувствительность фотодетектора, которая должна обеспечить заданное отношение сигнала к шуму; постоянная времени фотодетектора, обеспечивающая необходимую скорость и величину допустимых искажений входной информации, не превышающей заданное значение; сопротивление фотодетектора, при котором не должно усложняться построение усилительно-регистрирующего тракта; эксплуатация фотоприемного устройства не должна быть при этом чрезмерно трудной.

Если в формулах (2.21, 2.22) обозначить отношение

, (2.25)

то это отношение может быть использовано в качестве критерия по выбору фотодетектора.

Необходимо рассчитать параметр q для нескольких ПИ с областью спектральной чувствительности наиболее близко расположенной к заданной.

По справочнику выбираем несколько ПИ, выписываем их основные параметры:

Тип ПИ	материал
1
2
3

Температура стандартного излучателя, по которому калибруется приемник излучения .

Необходимо построить графики следующих функций: спектральной плотности излучения стандартного и заданного излучателя, а также спектральной чувствительности выбранных фотоприемников , . Далее рассчитывается паспортный пороговый поток по формуле (2.23).

Выбирают приемник излучения с максимальным значением q в заданной спектральной

области. Следует учесть тип выбранного приемника излучения, так как может потребоваться система его охлаждения.

Подставляя найденное значение q в формулу (2.21 или 2.22), определяют площадь входного зрачка S_вх оптической системы, обеспечивающей заданную дальность действия ОЭП. При этом необходимо учесть, что в силу конструктивных особенностей зеркального объектива его диаметр определяется по формуле:

Если при сравнении найденного значения D_об значительно отличается от принятого значения, проводят перерасчет. Если найденное значение D_об отличается от принятого не более чем на 10%, то переходят к расчету ФПУ.

3. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

1. График выполнения задания

В техническом задании предусматривается разработка одного из основных блоков оптической системы ФПУ в соответствии с одной из предлагаемых структурных схем. При этом указываются основные технические данные, которые должны быть выдержаны при проектировании (дальность действия, требуемая точность, чувствительность, быстродействие) и ряд эксплуатационных параметров, связанных с условиями работы, электропитания прибора и списка специальной литературы.

В процессе выполнения работы возможна корректировка технических параметров и требований по усмотрению руководителя.

При оценке руководителем объема выполненной работы принимается во внимание план поэтапного выполнения работы, приведенный в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – План выполнения работы

Учебная неделя	Наименование этапа	Объем работы по этапу
10-13	1.Разработка технического предложения Анализ ТЗ, подбор и изучение технической литературы по теме проекта Анализ особенностей принципа действия ФПУ по разработанной схеме, конструктивные признаки, обеспечивающие выполнение ТЗ	15% 5% 10%
14-17	2.Разработка эскизного проекта Составление и анализ оптической, структурной и электронной схем Выполнение расчетных работ (габаритный, энергетический и др. расчеты) с обоснованием выбора элементной базы	25% 5% 20%
1-9	3.Выполнение технического проекта Эскизная компоновка Сборный чертеж ФПУ Окончательное уточнение расчетов оптических, энергетических и др. Оформление расчетно-пояснительной записки	60% 20% 20% 10% 10%
	4.Защита проекта

При оценке работы учитывается самостоятельность работы, оригинальность найденного конструктивного решения и обоснованность выбора решения, соответствие представленных материалов требованиям ЕСКД и ГОСТ.