Расчет потерь потока в оптической системе

Определим выражение для коэффициента пропускания оптической системы, который входит в полученные в §14.3 выражения.

В оптической системе обычно основными являются потери:

- - из-за отражения на границах оптических сред;

- - из-за поглощения в материалах оптических деталей;

- - за счет виньетирования и диафрагмирования оптических пучков.

Кроме того, в передающей оптической системе возможны потери вследствие несогласованности апертур отдельных ее компонентов (например, тела накала конденсора и объектива).

Как известно из общей теории оптических приборов [7, 18], коэффициент пропускания системы t₀, учитывающий потери на поглощение и отражение, можно вычислить по формуле

 (14.12)

где N — число поверхностей раздела; r_k — коэффициент отражения на k-й поверхности раздела оптических сред; р — число оптических сред, проходимых излучением; a_om — коэффициент поглощения на единицу пути лучей в m-й оптической среде; l_m — длина пути излучения в т-й среде; r_3n — коэффициент отражения на п-й зеркальной поверхности; N₃ — число зеркальных поверхностей.

Следует учитывать, что значения r_k, a_0m, r_3n могут быть различными в разных участках оптического спектра.

В приемной оптической системе также возможны потери за счет диафрагмирования. Например, часть потока в зеркальных системах с контррефлекторами теряется на «слепом» пятне (центральной зоне) объектива. Коэффициент диафрагмирования в этом случае определяется как

k_д = (D ² – d ²)D ² ,

где D — диаметр входного зрачка; d — диаметр «слепого» пятна (контррефлектора).

14.5. Расчет коэффициента полезного действия системы первичной обработки информации

Одним из критериев качества СПОИ ОЭП может служить коэффициент h_оэп, определяющий, какая доля полезного сигнала, поступающего на вход прибора, используется для создания выходного сигнала, несущего полезную информацию.

Этот коэффициент, называемый часто коэффициентом полезного действия СПОИ ОЭП или просто КПД ОЭП, удобно оценивать отношением мощностей (потоков излучения). Он зависит от ряда факторов, важнейшими из которых являются:

- - потери потока в оптической системе, оцениваемые коэффициентом h₀;

- - потери при модуляции и обработке модулированного сигнала, учитываемые коэффициентом k_м;

- - потери из-за отсутствия надлежащего согласования параметров приемника с параметрами оптической и электронной систем, оцениваемые коэффициентом h_сг.

Таким образом,

 (14.13)

Для пассивных систем под h_o обычно понимается отношение потока F_пр, приходящего на приемник, к потоку F₀, принятому оптической системой. Коэффициент h_o при пассивном методе работы прибора рассчитывают по формуле

Здесь t_o — коэффициент пропускания оптической системы; k_д — коэффициент диафрагмирования, учитывающий возможное экранирование входного зрачка, а иногда и виньетирование (см. §14.4).

Расчет коэффициента k_м, учитывающего потери мощности сигнала при модуляции и детектировании, рассматривался в § 9.3.

В реальной конструкции по разным причинам иногда трудно оптимально согласовать параметры приемника с параметрами оптических и электронных звеньев. Это можно учесть коэффициентом h_сг. Рассмотрим, что определяет этот коэффициент.

Одной из его составляющих является коэффициент k_q, учитывающий возможное несоответствие между площадью чувствительного слоя приемника и площадью сечения пучка в месте установки этого слоя А_ф. Несмотря на то, что чаще всего стремятся к тому, чтобы размер сечения пучка в плоскости чувствительного слоя был меньше размеров площади приемника А, иногда все же приходится идти на уменьшение А по сравнению с А_ф (например, если необходимо уменьшить уровень шума приемника). При этом без учета возможной неравномерности освещенности в сечении пучка иногда принимают k_q=A/A_ф£1.

Другой составляющей является коэффициент k_ш, учитывающий соотношение между шумом электронной системы, приведенным к приемнику, — u_шэ, и собственным шумом приемника u_шп, взятым в рассматриваемой полосе пропускания:

Наконец, следует учитывать тот факт, что уровень шума приемника на рабочей частоте модуляции — частоте сигнала (спектр мощности шума j_шс) и на частоте, при которой производилась паспортизация приемника (j_шт), может быть различным. В этом легко убедиться, рассматривая типовой спектр шума приемника. Это положение можно учесть с помощью коэффициента , который при белом шуме равен единице. Очевидно, что учет этих факторов необходим лишь при k_q<1, k_ш<1, k_f <1. Совокупность k_q, k_ш и k_f образует коэффициент

При расчете КПД измерительных ОЭП необходимо иметь в виду, что для образования полезного сигнала, превышающего в заданное число раз уровень шумов, часто используется не весь поток, образующий изображение источника в плоскости анализа, или не весь электрический сигнал в полосе пропускания прибора, а лишь некоторая его доля. Например, в высокоточных оптико-электронных угломерах с помощью описанных в гл. 5 и 7 компенсаторов и анализаторов регистрируют весьма малое смещение источника по угловому полю, составляющее небольшую долю его углового размера. При сдвиге изображения относительно анализатора сигнал на выходе прибора определяется не всем потоком, создающим изображение, а лишь частью, соответствующей изменению потока, проходящего через анализатор. Поэтому при подсчете КПД прибора необходимо умножать h_оэп на коэффициент, учитывающий, какую долю всего потока составляет поток, образующий измеряемое приращение сигнала. Часто можно приближенно считать этот коэффициент равным отношению порога чувствительности прибора к величине линейного участка его выходной (статической) характеристики — зависимости между входным и выходным сигналами. Причем и порог чувствительности, и величину линейного участка в зависимости от назначения прибора можно выражать в виде потоков, облученностей, угловых или линейных координат и т.п.