Исследование энергетической чувствительности в оптико-электронных системах с полихроматической оптической равносигнальной зоной

ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

УДК 681.78

А. А. Мараев, И. А. Коняхин, А. Н. Тимофеев

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ С ПОЛИХРОМАТИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ РАВНОСИГНАЛЬНОЙ ЗОНОЙ

Представлены основные результаты исследований эффективной энергетической чувствительности к смещениям фотоприемной части в системах с полихроматической оптической равносигнальной зоной. Показано, что применение критерия энергетической чувствительности для таких систем особенно эффективно на стадии выбора излучающих, фотоприемных и оптических компонентов.

Ключевые слова: оптико-электронная система, полихроматическая равносиг-нальная зона, пространственное позиционирование.

Для оптико-электронных систем (ОЭС) с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ) характерны высокая эффективность при полной автоматизации процессов управления или измерения в статическом и динамическом режимах, а также возможность корректировки результатов с учетом влияния условий эксплуатации [1].

Возрастающие требования к точности при позиционировании объектов в строительстве, на железнодорожном транспорте, в самолетостроении и геодезии [2], а также при построении систем, предназначенных для предупреждения техногенных катастроф, обусловливают необходимость совершенствования ОЭС с ОРСЗ. В настоящее время осуществляются исследования по оценке возможности применения полихроматической ОРСЗ в целях учета влияния регулярной рефракции воздушного тракта [3] при использовании специальных алгоритмов обработки информативных параметров [4]. Оптическая равносигнальная зона формируется задатчиком базовой плоскости (ЗБП). При этом чувствительность к поперечным смещениям фотоприемной части (ФПЧ) ОЭС обусловливается энергетической чувствительностью. Понятие энергетической чувствительности ранее не применялось для полихроматического потока оптического излучения источников, образующих ОРСЗ, и было ограничено лишь монохроматическими составляющими оптического излучения [5].

В настоящей статье представлены основные результаты исследований эффективной энергетической чувствительности к смещениям ФПЧ в системах с ОРСЗ с учетом полихроматического потока оптического излучения источников, спектральной характеристики ФПЧ и параметров оптической системы, что более полно соответствует реальным условиям работы систем.

На рис. 1 приведена схема оптико-электронной системы с ОРСЗ, где И1, И2 — источники излучения; /1, /2 — частота модуляции источников, Ф1, Ф2 — поток оптического излучения

источников И1 и И2 соответственно; Е1, Е2 — облученность, создаваемая на приемнике источниками И1 и И2; /п — размер переходной зоны, — дистанция фокусировки.

И *

/2

V

Фоточувствительная плоскость

X

ОС

и

Л

И1

/1 #

ОС фотоприемной

Ф1 /1 части

г

Ф2 /2

то

Е1

Е

Е7

Рис. 1

Разностный поток в ОЭС с ОРСЗ [1], образованной разномодулированными потоками излучения Ф1 и Ф2, для одинаковых монохромных источников с учетом окончательной обработки электрических сигналов определяется выражением

йФ (х, у, г, X) = Ф1 (х, у, г, X) - Ф2 (х, у, г, X),

где Ф1 (х, у, г, X) и Ф2 (х, у, г, X) — формируемые источниками И1 и И2 потоки оптического

излучения, попадающие во входной зрачок объектива ФПЧ; х, у, г — координаты точки пространства в прямоугольной системе координат 0ХУ2 (см. рис. 1); X — длина волны источников оптического излучения.

Тогда при смещении ФПЧ на величину йх разностный поток (информативный поток рассогласования) определяется как

йФ (х + йх, у, г, X) = йФ1 (х + йх, у, г, X) - йФ2 (х + йх, у, г, X) .

Энергетическая чувствительность есть отношение разностного потока йФ(х + йх,у,г,X) к соответствующему малому линейному смещению йх с учетом спектрального состава излучения однотипных источников в полосе длин волн ДX (от X! до X2). Выражение, определяющее энергетическую чувствительность Ж (х + йх, у, г, X) в ОЭС, будет иметь следующий вид:

Ж (х + йх, у, г, X) = —

йх

Амплитуда потока рассогласования при противофазной модуляции потоков излучения источников с учетом зависимости распределения энергии в пределах переходной зоны /п (X) [1] определяется как

й Ф(т, X) =

П^ЗБП ^ПЧ

т

I

X9

й X-

;(Я,)ТОС (Ще2 (^

/п

л

й X

йх ,

где Татм (X) — пропускание атмосферы; Тос (X) — пропускание оптической системы; ^збп — площадь выходного зрачка объектива ЗБП; ^пч — площадь входного зрачка объектива ФПЧ; Ье1 (X), Ье2 (X) — спектральная плотность энергетической яркости первого и вто-

I

п

Исследование энергетической чувствительности в ОЭС 33

рого источников оптического излучения в одном канале; т — расстояние между ЗБП и ФПЧ; 1п (А) — линейный размер переходной зоны [1] в направлении исследуемой оси координат.

В общем виде размер переходной зоны определяется выражением

¡п (А) = к (А)5ф(А)уя + ^збп-

(А)-

m0 I А)- m

m0

где к (А) — коэффициент, характеризующий форму распределения аберраций объектива ЗБП; 0ф (А) — угловая сферическая аберрация объектива ЗБП; £>збп — диаметр выходного зрачка объектива ЗБП; m0 (А) — дистанция фокусировки объектива ЗБП.

В соответствии с законами геометрической оптики дистанция фокусировки m0 (А) определяется выражением

m

где a — расстояние от передней главной плоскости объектива до ребра разделительной призмы, формирующей ОРСЗ; f ' (А) — заднее фокусное расстояние объектива ЗБП.

Следовательно, объектив, сфокусированный на расстояние m01 для длины волны А1, для А2 будет сфокусирован на расстояние m02, отличное от m01, так как присутствуют хроматические аберрации объектива.

При одинаковом распределении спектральной яркости источников энергетическую чувствительность можно определить выражением для круглых или квадратных зрачков оптической системы ЗБП и ФПЧ:

W(m, А) = А2 Татм (а)тос (A)Le (А)m0 M dа ,

m А к(А)ôф(А)m0 (А)m + £>ЗБП |m0 (А)-m|

где Le (А) — функция спектральной плотности энергетической яркости источника оптического излучения.

С учетом спектральной чувствительности фотоприемника эффективное значение энергетической чувствительности

ш - 2п^ЗБП^ПЧ г Татм

тос (А) Le (A)m0 (A)s (а) dA эф m2 А к(А^ф^^,)(A)m + £>ЗБП|m0(A)-m| '

где s (А) — относительная спектральная чувствительность фотоприемника ФПЧ.

Как видно из графика зависимости энергетической чувствительности от длины волны (рис. 2, кривая 1) при одинаковой яркости оптического излучения (10 Вт/м ) полупроводниковых излучающих диодов (ПИД), на дистанции 50 м для объектива ПУЛ-Н [1] и серийно выпускаемых ПИД типа BetLux-L515RGBC (на рисунке — BL(R, G, B)) и 3Л136-А энергетическая чувствительность возрастает при смещении максимума спектра излучения ПИД в ИК-область. Эффективная энергетическая чувствительность (кривая 2) рассчитана с учетом ФПЧ на базе кремниевого фотодиода Hamamatsu 1133-14. При этом отношение величин W изменяется от 55 % при А=0,43 мкм (ПИД типа BL-(B) до 84 % при А=0,81 мкм (ПИД типа 3Л136-А). Таким образом, эффективная чувствительность к смещению ФПЧ для системы

с ОРСЗ с учетом спектральной характеристики приемника определяет коэффициент полезного действия преобразований оптических сигналов и поэтому должна учитываться при выборе параметров системы.

Г-10-

, Вт/м 5 4

0 0,4

3Л 136 -А

2

1

И Т

В Щ V ВТ О)

0,5

0,6 Рис. 2

0,7

X, мкм

Для полихроматической ОРСЗ, образованной, например, двумя каналами, суммарная эффективная энергетическая чувствительность определяется как

^эфЕ = ^эф1 + ^эф2 =

2п$ЗБП

ЗБП°ПЧ

т

2

Г ^атм

X к (Х)5ф(Х)т0 (Х)т + £>ЗБН |т0 (X)- т

\

й Х +

4

I

Татм

к (X) 5ф(Х) т0 (X) т + £>ЗБН т0 (X)- т

й X

где (XI, X2 ), (Xз, X4 ) — диапазоны длин волн оптического излучения источников первого и второго каналов соответственно; Ь' (X), Ц'^) — функция спектральной плотности энергетической яркости источников первого и второго каналов.

Для равноточного определения смещений ФПЧ, образованных в полихроматической ОРСЗ двумя каналами в разных диапазонах длин волн (XI, X2) и ( Xз, X4), необходимо, чтобы энергетическая чувствительность была одинаковой в каждом канале, т.е. Жэф1 = Жзф2. С учетом одинаковых значений величин $збп , $пч , Азбп и т для двух каналов получаем

"2 I

Мтос МЬ Мт,

2

\й X = J

[

к(X)8ф(X)m0(X)m + £>ЗБП т0(X)-т X к(X)8ф(X)m0^)т + £>ЗБП т0(X)-т

dX,

откуда следует, что при одинаковом характере распределения аберраций по длине волны компенсировать разность значений энергетической чувствительности в каналах можно путем изменения яркости источников. При этом отношение значений эффективных энергетических чувствительностей двух каналов дает коэффициент, который следует учитывать при коррекции потока оптического излучения во втором канале по отношению к первому. При одинаковом характере распределения аберраций и отсутствии хроматических аберраций для рассмотренных спектральных участков равенство (2) преобразуется к виду

| Татм ^)ТОС (X) Ь'е (X)s(X)dX = | ТЭТм (X)тoc (X)К ^^)dX .

5

3

2

1

з

Исследование энергетической чувствительности в ОЭС 35

Основываясь на анализе хода кривой 2 (см. рис. 2), обеспечить равенство чувствитель-ностей в каналах полихроматической ОРСЗ можно путем уменьшения яркости источников в канале с ПИД в ИК-области спектра.

Проведенные исследования показали, что предлагаемый критерий эффективной энергетической чувствительности к смещениям ФПЧ в системах с ОРСЗ с учетом сложного потока оптического излучения источников, спектральной характеристики фотоприемной части и параметров оптической системы рационально использовать на стадии выбора и оценки оптимальности применения оптоэлектронных и оптических элементов схемы ОЭС.

Применение предложенного критерия позволяет комплексно учитывать не только изменение спектрального распределения мощности излучения источников и спектрального распределения чувствительности приемников, но и изменения условий пропускания воздушного тракта. Поэтому дальнейшие исследования целесообразно продолжить в направлении развития адаптивных алгоритмов спектрозональной селекции, учитывающих указанные изменения.

Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы „Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 — 2013 гг.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Джабиев А. Н., Мусяков В. Л., Панков Э. Д., Тимофеев А. Н. Оптико-электронные приборы и системы с оптической равносигнальной зоной. Монография / Под ред. Э. Д. Панкова. СПб: СПбГИТМО(ТУ), 1998. 238 с.

2. Мусяков В. Л., Панков Э. Д., Тимофеев А. Н. и др. Направления развития оптико-электронных систем с оптической равносигнальной зоной // Изв. вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 9. С. 27—31.

3. Витол Э. А., Мусяков В. Л., Коняхин И. А., Тимофеев А. Н. Реализация дисперсионного метода в оптико-электронных системах с оптической равносигнальной зоной // Сб. трудов VI Междунар. конф. „Прикладная оптика", 18—21 окт. 2004 г., Санкт-Петербург. СПб, 2004. Т. 1. С. 37—40.

4. Тарасов В. В., Якушенков Ю. Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Университетская книга, Логос, 2007. 192 с.

5. Мараев А . А ., Тимофеев А. Н. Исследование распределения энергетической чувствительности в полихроматической оптической равносигнальной зоне // Сб. трудов IX Междунар. конф. „Прикладная оптика — 2010", 18—22 окт. 2010 г. СПб: ГОИ им. С.И. Вавилова, 2010. Т. 1, ч. 1. С. 241—245.

Антон Андреевич Мараев

Игорь Алексеевич Коняхин

Александр Николаевич Тимофеев —

Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов и систем

Сведения об авторах аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: antoshka87@gmail.com

д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: igor@grv.ifmo.ru

канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем; E-mail: timofeev@grv.ifmo.ru

Поступила в редакцию 12.04.11 г.