Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы и методы работы

1.1. Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы и методы работы 

   Структура многих современных ОЭП достаточно сложна. Она включает большое число  различных по своей физической природе  и принципу действия звеньев —  аналоговых и цифровых преобразований электрических сигналов, микропроцессоров, механических и электромагнитных узлов и др. Поэтому ОЭП часто называют оптико-электронными системами (ОЭС).

   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. 1.1. 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.

Рис. 1.1. Обобщенная схема  работы ОЭП 

   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 её является получение сигнала (информации) от наблюдаемого или исследуемого объекта в виде, удобном для дальнейшей обработки или использования

   Выходной  блок формирует сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий требованиям получателя информации.

   Помимо  исследуемого объекта («полезный» излучатель) на рис. 1.1. 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 т.д.. Иногда в состав ОЭП не входят некоторые из перечисленных звеньев. Это определяется, как правило, методом работы прибора.

   При активном методе работы (рис. 1.2, а) исследуемый или наблюдаемый объект 2 облучается источником электромагнитных волн /, параметрами и характеристиками которого может управлять оператор, проводящий исследование и наблюдение. 

Рис. 1.2. Методы работы ОЭП: а - активный; б - пассивный; о - полуактивный

   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.

   При реализации активного метода необходимо иметь специальный источник, который иногда бывает очень сложным, громоздким и потребляет большую мощность.

   При пассивном методе работы (рис. 1.2, б) используется собственное излучение наблюдаемого объекта 2, которое принимает ОЭП 3, а часто и отраженное от объекта излучение, создаваемое внешним источником естественного происхождения, например, Солнцем. Для повышения помехозащищенности здесь приходится особенно тщательно следить за оптимальным соотношением между параметрами ОЭП, объекта и среды распространения излучения.

   Иногда  искусственный или естественный источник 1 облучает не один, а ряд объектов 2', 2", 2'" и т. д. (рис. 1.2, в). Как правило, ОЭП Должен выделить поток, отраженный от одного из них, причем часто параметрами излучения, облучающего объекты, управлять нельзя (например, в случае использования естественной освещенности). Такой метод работы обычно называют полуактивным. 
 
 

1.2. 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. Физические принципы работы приборов обеих групп одинаковы.

   По  спектральному рабочему диапазону излучения различают приборы для работы в ультрафиолетовой области спектра (УФ приборы), видимой области, инфракрасной области (ИК приборы).

   Выделяют  автоматические ОЭП, в которых весь цикл обработки информации проходит без участия человека-оператора, и неавтоматические, где роль человека в решении поставленной задачи зачастую является определяющей. Например, существенные различия имеют такие ОЭП, как полностью автоматические системы самонаведения, и приборы, использующие электронно-оптические преобразователи для определения направления на излучатель. Причем последние служат как бы связующим звеном между оптической системой, работающей в невидимой части спектра, и человеческим глазом, осуществляющим опознавание и выделение излучателя.

   По  назначению ОЭП и  ОЭС можно подразделить на несколько больших классов: информационно-измерительные, следящие, приборы и системы обнаружения, приборы и системы для преобразования изображения. Внутри этих классов выделяют поисковые системы, радиометры и спектрорадиометры, угломерные (пеленгаторы) и дальномерные (локаторы) ОЭП, ОЭС связи, контрольно-юстировочные ОЭП, системы технического зрения роботов, ОЭС для исследования природных ресурсов и ряд других.

   К настоящему времени уже сложились  достаточно специфичные для каждой из этих групп конструктивные признаки, учитывающие специфику условий работы прибора. Возможны и другие способы классификации ОЭП, например, по виду модуляции, параметру сигнала, несущему полезную информацию.

   Несмотря  на многообразие современных ОЭП  и ОЭС им присущи многие общие признаки. Структурные схемы многих ОЭП достаточно единообразны. Общей является элементная база многих ОЭП. Наконец, общностью обладают многие методы и методики синтеза и анализа различных ОЭП.  

1.3. Сравнение оптико-электронных  приборов с визуальными оптическими и радиоэлектронными приборами

   Появление первых ОЭП обусловлено тенденциями  к освоению широкого спектрального  диапазона и автоматизации оптических измерений. Их предшественниками являются визуальные оптические приборы, для которых приёмником излучения служит глаз человека. Визуальные оптические приборы и сегодня широко используются в различных областях науки, техники, народного хозяйства.

   Глаз  человека является уникальным оптическим прибором, которому свойственна высокая разрешающая способность и чувствительность, а в сочетании с работой мозга — не достижимая пока ни одним автоматическим устройством способность выполнять логические операции, например, распознавать и оценивать сложные изображения на видимом участке оптического спектра. Все это определяет достоинства визуальных оптических приборов. Кроме того, эти приборы в большинстве случаев проще оптико-электронных по своей конструкции, а часто благодаря присутствию человека-оператора они более надежны в эксплуатации.

   Однако ограниченность спектрального диапазона чувствительности человеческого глаза наряду с целесообразностью и необходимостью во многих случаях работать в УФ и ИК диапазонах, недостаточные порой разрешение и чувствительность глаза, даже вооруженного оптической системой, малое быстродействие органов чувств и «исполнительных» органов человека, наконец, невозможность или нецелесообразность использовать человека во многих случаях, например в условиях высоких температур, радиационной опасности и т. п. — всё это привело сначала к созданию сравнительно несложных автоматизированных оптических приборов, например приборов с фотоэлектрической регистрацией результатов измерений, т. е. первых ОЭП, а затем и более сложных, часто полностью автоматизированных ОЭП и комплексов.

   С освоением УФ и ИК участков спектра, что проявилось прежде всего в  развитии соответствующей технологии оптических деталей и приемников излучения, тенденции создания автоматических ОЭП усилились. К настоящему времени стало возможным использовать на практике значительные преимущества автоматических ОЭП перед неавтоматическими. Основными из них являются отсутствие субъективных ошибок, большее быстродействие, большая точность, защищенность от некоторых внешних воздействий.

   Очень часто ОЭП применяют для решения тех же задач, что и однотипные по назначению радиоэлектронные приборы, например, для определения угловых координат источника электромагнитного излучения (пеленгация) или определения как угловых координат источника, так и дальности до него (локация). Эти два класса приборов в какой-то степени аналогичны, поскольку в них в качестве носителя информации используется электромагнитная энергия. Часто сходны некоторые их конструктивные элементы, и при расчете иногда можно пользоваться аналогичными методами.

   Однако  следует отметить существенную разницу  между этими приборами, возникающую  прежде всего вследствие того, что  они работают в различных диапазонах спектра электромагнитных волн.

   Работа  на больших частотах и соответственно меньших длинах волн обусловила более высокую разрешающую способность ОЭП по сравнению с радиоэлектронными приборами. Действительно, если вспомнить, например, что минимально разрешаемый при дифракции угол пропорционален отношению длины волны к диаметру входного зрачка системы , т. е. , то это положение легко объяснимо. Отсюда следует принципиально более высокая точность оптико-электронных (оптических) измерений, ограничиваемая разрешающей способностью, а также и другое преимущество ОЭС, заключающееся в меньших размерах и массе, поскольку при одинаковых требованиях к разрешению прибора важнейший габаритный размер у оптической системы оказывается значительно меньшим, чем у радиоэлектронной. Для передающих систем, например, систем связи, важна более высокая направленность оптического излучения, что объясняется меньшими, чем у радиоэлектронных систем, длинами рабочих волн, а также большая емкость оптических информационных каналов связи.

   Следует также отметить, что при пассивных методах работы мощность естественных источников излучения гораздо больше в оптическом диапазоне спектра. При этом существует и большая возможность опознания вида излучателя по характеристикам его излучения.

   Новые возможности открылись перед ОЭП после создания лазеров — уникальных по многим параметрам источников электромагнитных колебаний. Очень важно такое достоинство лазеров, как высокая пространственная и временная когерентность, обеспечивающая хорошие монохроматичность и направленность лазерных пучков. Следует указать, что при включении в состав прибора лазера многие методы расчета и проектирования ОЭП, а также их элементы остаются теми же, что и при использовании обычных источников излучения.

     К числу других достоинств ОЭП следует отнести возможность двойной (пространственной и временной) модуляции излучения, а также более удобную для человека визуальную форму представления информации.

Основными недостатками ОЭП  по сравнению с  радиоэлектронными приборами являются большее ослабление оптического излучения в мутных средах, например в атмосфере, значительное число помех в виде естественных и искусственных излучений (излучение небесных тел, ландшафта, деталей самого прибора и т. п.).

     Ни  один из этих классов приборов на сегодня  не обладает решающими преимуществами, тем более, что в некоторых случаях признаки, отмеченные выше как достоинства, могут стать недостатками. Например, большая мощность естественных излучателей в оптической части спектра затрудняет выделение оптическими средствами объекта, незначительно отличающегося по температуре от окружающего фона. В связи с этим в наиболее сложных случаях обычно создают комбинированные, комплексные системы, включающие как оптико-электронные, так и радиоэлектронные каналы. 
 
 

1.4. Краткий исторический  очерк и некоторые  перспективы развития  оптико-электронного  приборостроения

   Исследования  свойств оптического излучения  ведутся очень давно, однако практическое использование этих свойств для передачи и приема информации в широком диапазоне спектра стало возможным лишь начиная с 30-40-х годов XX века. Это объясняется прежде всего отсутствием до недавнего времени оптических материалов, пригодных для использования не только в видимой, но и в ИК и УФ областях оптического спектра, и приемников излучения, обладающих высокой чувствительностью в тех же областях. Кроме того, явно недостаточно были изучены некоторые общие вопросы, например, закономерности распространения оптического излучения в атмосфере и других поглощающих и рассеивающих средах.