Оптико-электронные приборы и системы Дисциплина для магистерской подготовки по направлению «Радиотехника» Автор: Исаев Владимир Александрович, к.т.н., профессор Великий Новгород, 2016

Занятие 3 Влияние среды распространения оптического излучения на работу оптико-электронных приборов и систем Сигналы и помехи в оптико-электронном приборе

Прокофьев А. В. Метрология оптико-электронного приборостроения. – СПб: НИУ ИТМО, – 103 с.

Среда распространения оптического излучения Среда распространения. Через эту среду излучение проходит от пространства предметов до приемной части ОЭП. Ею могут быть вакуум, газы (в том числе атмосфера), жидкости и твердые тела. При прохождении через среды информационные характеристики и параметры излучения претерпевают изменения, связанные с рассеянием, поглощением, преломлением, изменением степени и ориентации поляризации и скорости распространения.

Ослабление оптического излучения в атмосфере Очень часто средой распространения оптического сигнала является атмосфера. Общее ослабление излучения в атмосфере обусловлено двумя основными процессами: - поглощением газовыми компонентами, в результате которого происходит преобразование энергии излучения в другие ее виды; - молекулярным и аэрозольным ослаблением, или рассеянием, состоящим в изменении направленности излучения. Конструктор уже на стадии выбора принципиальной схемы прибора должен учитывать влияние среды, так как только при условии определения характера взаимодействия излучения и среды, в которой оно распространяется, можно выбрать или рассчитать основные узлы приемной части ОЭП.

Явление поглощения оптического излучения в атмосфере Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета: учебное пособие / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул. – Новосибирск: СГГА. – – 215 с.

Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета 3. Влияние атмосферы на распространение оптического излучения применительно к оптико-электронным приборам и системам 3.1. Явление поглощения оптического излучения в атмосфере 3.2. Явление рассеяния в атмосфере 3.3. Поглощение излучения газами атмосферы 3.4. Флуктуации параметров оптического излучения при распространении в атмосфере

Атмосфера как среда распространения оптического излучения Современные ОЭП и С работают в условиях, когда излучение наблюдаемых объектов поступает на входной зрачок оптической системы ослабленным и искаженным за счет влияния слоев атмосферы между объектами и ОЭП и С. Атмосферу принято рассматривать как среду, состоящую из смеси газов, водяного пара, мельчайших взвешенных частиц, называемых аэрозолем. В атмосфере содержится : N 2 – 78% по объему; Н 2 О – (~10 -5 % ¸ 4,5%) по объему; СО 2 – 0,03% по объему; О 3 – 2,7 · % по объему. Кроме того, содержится O 2, СО, СН 4, Ne, H 2, NO 2, N 2 O и другие газовые компоненты.

Закон Бугера – Ламберта – Бера Общее ослабление излучения в атмосфере обусловлено явлением поглощения газовыми компонентами, в результате которого происходит преобразование энергии излучателя в другие ее виды, а также явлением молекулярного и аэрозольного рассеяния, состоящим в изменении направленности излучения. В общем случае неоднородной среды, ослабление оптического излучения описывается законом Бугера – Ламберта – Бера : где L(λ) – спектральная яркость излучения, прошедшего путь l 0 ; L 0 (λ) – спектральная яркость излучения до вхождения в среду; К(l, λ) – спектральный показатель ослабления, который имеет размерность [км -1 ].

Закон Бугера – Ламберта – Бера (продолжение) Формула может быть записана в следующем виде: где – коэффициент пропускания среды, или прозрачность неоднородного слоя толщиной l 0 на длине волны λ. Если слой l 0 однороден, то спектральный коэффициент прозрачности τ(l, λ) определяется следующим образом (так как в этом случае К(l, λ) = К(λ) = const): Показатель ослабления К(l, λ) является суммой показателей рассеяния σ(l, λ) и поглощения α(l, λ):

Общая картина спектра молекулярного поглощения оптического излучения

Явление рассеяния оптического излучения в атмосфере Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета: учебное пособие / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул. – Новосибирск: СГГА. – – 215 с.

Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета 3. Влияние атмосферы на распространение оптического излучения применительно к оптико-электронным приборам и системам 3.1. Явление поглощения оптического излучения в атмосфере 3.2. Явление рассеяния в атмосфере 3.3. Поглощение излучения газами атмосферы 3.4. Флуктуации параметров оптического излучения при распространении в атмосфере

Молекулярное рассеяние Данный вид рассеяния является следствием возникновения неоднородностей плотности воздуха, вызванных флуктуациями этой величины. Спектральный показатель молекулярного рассеяния определяется по следующей формуле: где N – число молекул в 1 см 3 ; А – площадь поперечного сечения молекулы (см 2 ); λ – длина волны излучения (см).

Аэрозольное рассеяние Рассеяние на отдельных частицах характеризуется показателем рассеяния σ, для характеристики рассеивающих свойств частицы по направлениям используется понятие угловой функции рассеяния, которую часто называют индикатрисой рассеяния: где L(γ) – интенсивность излучения, рассеянного частицей в направлении угла γ; dj – элементарный телесный угол.

Аэрозольное рассеяние (продолжение) Если в определенном единичном объеме рассеивающей среды находится N частиц, распределение по размерам которых описывается функцией f(r), то объемный показатель аэрозольного рассеяния совокупности частиц N будет выражаться формулой: где σ(r) – объемный показатель аэрозольного рассеяния i-й частицы радиуса r.

Явление поглощения оптического излучения в атмосфере Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета: учебное пособие / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул. – Новосибирск: СГГА. – – 215 с.

Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета 3. Влияние атмосферы на распространение оптического излучения применительно к оптико-электронным приборам и системам 3.1. Явление поглощения оптического излучения в атмосфере 3.2. Явление рассеяния в атмосфере 3.3. Поглощение излучения газами атмосферы 3.4. Флуктуации параметров оптического излучения при распространении в атмосфере

Поглощение излучения газами атмосферы Выбор спектральных диапазонов, удобных для работы ОЭП в видимой и ИК областях спектра, в основном основывается на учете полос пропускания атмосферы. Анализ коэффициента поглощения излучения данной длины волны или частоты того или иного газа в атмосфере ведется на основе моделей полос поглощения. Как показали специальные исследования процессов, влияющих на ширину спектральных линий поглощения, в приземном слое атмосферы ширина линий обусловлена столкновением молекул. Теория данного процесса была разработана Лорентцем, который получил формулу распределения интенсивности спектральных линий поглощения как функции частоты υ.

Поглощение излучения газами атмосферы (продолжение) Для группы перекрывающихся линий (полосы) спектральный коэффициент поглощения равен : где I i – интегральная интенсивность i-й перекрывающейся линии; γ I – полуширина линии; V oi – частота центра линии. Вообще говоря, вычисления α(V) практически возможны, если известны модели полос поглощения. Современная атмосферная оптика оперирует моделями Эльзассера, Кинга, статистической моделью, квази статистической и комбинированной моделями, с использованием которых проводятся расчеты α(V) мощных полос поглощения Н 2 О и СО 2, а также других газов.

Поглощение излучения газами атмосферы (продолжение) Для расчетов параметров ОЭП и С очень важно отметить наличие «окон» пропускания атмосферы. В атмосфере приземного слоя имеются следующие полосы пропускания: λ = 0,95 – 1,05; 1,2 – 1,3; 1,5 – 1,8; 2,1 – 2,4; 3,3 – 4,2; 4,5 – 5,0; 8 – 13 мкм. Исходя из исследуемых диапазонов длин волн окон прозрачности атмосферы, целесообразно выбирать и рабочие области спектра оптико- электронных приборов. Помимо чисто расчетных методов определения функций пропускания атмосферы в литературе имеется ряд эмпирических формул, которые удобны своей простотой.

Поглощение излучения газами атмосферы (продолжение) Эльдер и Стронг предложили следующую формулу для функции пропускания τ горизонтальными трассами: где t 0 и К 1 – параметры, которые зависят от λ; ω = Vхl – слой осажденной воды в мм; (l – путь излучения в км; V – абсолютная влажность, которая практически равна количеству осажденной воды на трассе 1 км). Для определения V необходимо умножить величину относительной влажности на количество осажденной воды. Указанная формула справедлива для трасс, расположенных на высотах Н = 2 ÷ 3 км.

Флуктуации параметров оптического излучения при распространении в атмосфере Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета: учебное пособие / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул. – Новосибирск: СГГА. – – 215 с.

Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета 3. Влияние атмосферы на распространение оптического излучения применительно к оптико-электронным приборам и системам 3.1. Явление поглощения оптического излучения в атмосфере 3.2. Явление рассеяния в атмосфере 3.3. Поглощение излучения газами атмосферы 3.4. Флуктуации параметров оптического излучения при распространении в атмосфере

Флуктуации параметров оптического излучения при распространении в атмосфере При распространении оптического излучения в атмосфере наблюдаются флуктуации его параметров: интенсивности, фазы, состояния поляризации, угла прихода, т.е. расходимости и т.д. Эти флуктуации обусловлены турбулентными явлениями, связанными с колебаниями плотности воздуха, т.е. его показателя преломления. Различают следующие флуктуации параметров: 1. Флуктуации интенсивности приходящего оптического излучения (эффект «мерцания»). 2. Флуктуация фазы и угла прихода излучения. 3. Рефракция.

Флуктуации интенсивности приходящего оптического излучения (эффект «мерцания»). Мерой флуктуации интенсивности служит дисперсия флуктуации lg силы излучения источника Мерцание имеет низкочастотный временной характер, а максимум этого спектра лежит на частоте где – скорость ветра перпендикулярна направлению излучения. С увеличением зенитного угла Z наблюдаемого источника излучения амплитуда мерцания возрастает по закону sec Z, а частота уменьшается. Так у горизонта f м 5 – 10 Гц, а вблизи зенита f м ~ Гц.

Флуктуация фазы и угла прихода излучения Изменения хода лучей из-за турбулентности атмосферы приводят к флуктуации фазы вдоль и поперек пучка. Поперечные флуктуации нарушают пространственную когерентность волнового фронта, искривляют и изгибают пучок, вызывают «дрожание» изображения. Флуктуации фазы вдоль пучка уменьшают временную когерентность. Выяснено, что выражение для структурной функции фазы φ имеет вид:

Рефракция Из-за рефракции оптический луч входит в зрачок приемной системы под углом α р : где α – угол между направлением градиента Т и осью ОЭП; dn/dT – температурный градиент показателя преломления.

Случайные сигналы (спектры шумов) и способы их описания Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета: учебное пособие / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул. – Новосибирск: СГГА. – – 215 с.

Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета 4. СИГНАЛЫ И ПОМЕХИ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОМ ПРИБОРЕ 4.1. Детерминированные сигналы и способы их описания 4.2. Свойства спектров сигналов. Свертка спектров сигналов 4.3. Случайные сигналы (спектры шумов) и способы их описания

Характерные случайные сигналы для ОЭП: Внутренние шумы приемников оптического излучения. Основные источники внешних случайных помех для ОЭП – излучение естественных фонов, на которых наблюдаются или исследуются объекты (излучение наземных ландшафтов, небесных тел, облаков и т. д.). В ряде случаев источником помех для ОЭП является искажающее влияние атмосферы на оптический сигнал, например, «мерцание» и «дрожание» изображения.

Характерные случайные сигналы для ОЭП: Иногда флуктуирующий излучающий фон представляют в виде случайной стационарной совокупности двумерных импульсов яркости, амплитуда которых подчиняется гауссовому (нормальному) закону распределения: а размеры участков фона – закону распределения Пуассона: где L – энергетическая яркость какой-либо точки фона; r – расстояние между отдельными точками фона.

Пример структурной схемы моделирования спектральной яркости объектов

Приложение 1 Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства видимого и инфракрасного диапазонов: Учебное пособие. - СПб.: ГУАП, – 120 с.

Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства видимого и инфракрасного диапазонов

Спектральное пропускание атмосферой излучения а) обычный ультрафиолет - от 0,2 до 0,4 мкм и видимый диапазон - от 0,45 до 0,8 мкм; б) ближний ИК - диапазон (0,8 -2,6 мкм); в) средний ИК - диапазон (2,9 - 6,0 мкм); г) дальний ИК-диапазон (8,0 - 14,0 мкм).

Окна прозрачности атмосферы В атмосфере имеются окна прозрачности, которые стандартизованы в Международной фотометрической системе (МФС) через λ ± λ : - в видимом и начале ближнего ИК-диапазонов: B, V, R, J - до 1,2 мкм; - H-диапазон - (1,6 ± 0,1) мкм; - К-диапазон - (2,2 ± 0,3) мкм; - L-диапазон - (3,6 ± 0,45) мкм; - М-диапазон - (4,6 ± 0,5) мкм; - N-диапазон - (10,0 ± 2,0) мкм; - Q-диапазон - (20,0 ± 0,4) мкм. Между полосами прозрачности имеются полосы полного поглощения ИК-излучения атмосферой, в основном, углекислым газом : 2,6 - 2,9 мкм; 4,2 - 4,4 мкм и парами воды : 5,0 - 8,0 мкм.

Приложение 2 Расчет атмосферного канала

Приложение 3 Продукция ЗАО «ЭЛСИ». Трансиверы оптические дуплексные

Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) входят следующие технические средства: 1) каналообразующее оборудование (КОО) тракта передачи, обеспечивающее формирование определенного числа типовых каналов или типовых групповых трактов со стандартной шириной полосы пропускания или скоростью передачи; 2) оборудование сопряжения (ОС) тракта, необходимое для со­ пряжения параметров многоканального сигнала на выходе КОО с параметрами оптического передатчика; 3) оптический передатчик (ОПер), обеспечивающий преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, длина волны которого совпадает с одним из окон прозрачности оптического волокна; Примечание: в состав ОПер входят: источник оптического излучения (ИОИ) - оптической несущей, один или несколько параметров которой модулируются электрическим многоканальным сигналом, поступающим с ОС, и согласующее устройство (СУ), необходимое для ввода оптического излучения в волокно-оптического кабеля с минимально возможными потерями; как правило, источник оптического излучения и согласующее устройство образуют единый блок, называемый передающим оптическим модулем (ПОМ)

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) входят следующие технические средства: (Продолжение) 4) оптический кабель, волокна которого (ОВ) служат средой распространения оптического излучения; 5) оптический ретранслятор (ОР), обеспечивающий компенсацию затухания сигнала при его прохождению по оптическому волокну (ОВ) и коррекцию различного вида искажений; (ОР) могут быть обслуживаемыми или необслуживаемыми и устанавливаются через определенные расстояния, называемые ретрансляционными участками; ОР может производиться обработка (усиление, коррекция, регенерация и т.д.) как электрического сигнала, который получается путем преобразования оптического сигнала и последующего преобразования скорректированного электрического сигнала в оптический, так и оптического сигнала с помощью оптических квантовых усилителей;

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) входят следующие технические средства: (Продолжение) 6) оптический приемник (ОПр), обеспечивающий прием оптиче­ ского излучения и преобразования его в электрический сигнала; ОПр включает в себя согласующее устройство (СУ), необходимое для вывода оптического излучения из ОВ с минимальными потерями и приемник оптического излучения (ПОИ); совокупность согласующего устройства и приемника оптического излучения представляет приемный оптический модуль (ПРОМ); 7) оборудование сопряжения (ОС) тракта приема, преобразующее сигнал на выходе ПРОМ в многоканальный сигнал соответствующего КОО; 8) каналообразующее оборудование (КОО) тракта приема, осуществляющее обратные преобразования многоканального сигнала в сигналы отдельных типовых каналов и трактов.

Учебное задание Изучить раздел 2.3 книги Прокофьев А. В. Метрология оптико-электронного приборостроения. – СПб: НИУ ИТМО, 2012; Изучить раздел 3 книги Тымкул В.М. Оптико- электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета: учебное пособие. – Новосибирск: СГГА. – 2005; Ознакомиться с разделом 1.2 книги Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства видимого и инфракрасного диапазонов. - СПб.: ГУАП, Ознакомиться с продукцией ЗАО «ЭЛСИ» Примечание: учебные материалы размещены на портале НовГУ (Исаев Владимир Александрович > ОЭ приборы и системы > …)

Список литературы 1. Гуревич М. М. Фотометрия (теория, методы и приборы). 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, с. 2. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: учебник / Ю.Г. Якушенков - 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, с. 3. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Университетская книга; Логос, с. 4. Тымкул В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета: учебное пособие / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул. – Новосибирск: СГГА. – – 215 с. 5. Коротаев В.В., Мельников Г.С., Михеев С.В., Самков В. М., Солдатов Ю. И. Основы тепловидения – СПб: НИУ ИТМО, – 122 с.

Список литературы (продолжение) 6. Ишанин Г. Г., Мальцева Н.К., Мусяков В. Л. Источники и приёмники излучения. Пособие по решению задач. - СПб.: СПбГУ ИТМО, с. 7. Лукин С.Б. Конспект лекций по курсу ОЭС. – СПб.: ИТМО,2004. – 161 с. 8. ГОСТ Физическая оптика. Термины, буквенные обозначения и определения основных величин. 9. ГОСТ Фотометрия. Термины и определения. 10. ГОСТ Р ИСО Оптика и оптические приборы. Эталонные значения длин волн. 11. ГОСТ Государственная система обеспечения единства измерений. Световые измерения. Значения относительной спектральной световой эффективности монохроматического излучения для дневного зрения. Общие положения.

Список литературы (продолжение) 12. ГОСТ Стекло оптическое цветное. Технические условия 13. ГОСТ Стекло и изделия из него. Методы определения оптических характеристик. Определение цветовых координат. 15. Зуев В. Е., Кабанов М. В., Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех). - М.: Советское радио, – 368 с. 16. Рыжиков М. Б. Формирование и обработка изображений в лазерных системах видения: учеб. пособие. – СПб.: ГУАП, – 210 с. 17. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения: учеб.пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, с.

Список литературы (продолжение) 18. Карасик В. Е. Локационные лазерные системы видения / В. Е. Карасик, В. М. Орлов. М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, с. 19. Формозов Б.Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства видимого и инфракрасного диапазонов: Учебное пособие. - СПб.: ГУАП, БГТУ "Военмех", – 127 с. 20. Коняхин И.А. Методы и средства статистического моделирования оптико-электронных систем/ Учебное пособие. СПб: СПб НИУ ИТМО, – 52 с. 21. Прокофьев А. В. Метрология оптико-электронного приборостроения. – СПб: НИУ ИТМО, – 103 с.

Спасибо за внимание!