Например, Бобцов

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 равносигнальная 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; f1, f2 — частота модуляции источников, Ф1, Ф2 — поток оптического излучения
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 3

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

источников И1 и И2 соответственно; Е1, Е2 — облученность, создаваемая на приемнике ис-

точниками И1 и И2; lп — размер переходной зоны, m0 — дистанция фокусировки.

Фоточувствительная

X

И2 плоскость

f2 ОС X

ОС фотоприемной

E1

Ф1 f1 Z

части

E

lп

Y

И1 Ф2 f2 f1 m0

E2

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

dΦ ( x, y, z, λ) = Φ1 ( x, y, z, λ) − Φ2 ( x, y, z, λ) ,

где Φ1 ( x, y, z, λ) и Φ2 ( x, y, z, λ) — формируемые источниками И1 и И2 потоки оптического
излучения, попадающие во входной зрачок объектива ФПЧ; x, y, z — координаты точки пространства в прямоугольной системе координат OXYZ (см. рис. 1); λ — длина волны источников оптического излучения.
Тогда при смещении ФПЧ на величину dx разностный поток (информативный поток рассогласования) определяется как

dΦ ( x + dx, y, z, λ) = dΦ1 ( x + dx, y, z, λ) − dΦ2 ( x + dx, y, z, λ) .

Энергетическая чувствительность есть отношение разностного потока
dΦ ( x + dx, y, z, λ) к соответствующему малому линейному смещению dx с учетом спектраль-

ного состава излучения однотипных источников в полосе длин волн ∆λ (от λ1 до λ2 ). Вы-
ражение, определяющее энергетическую чувствительность W ( x + dx, y, z, λ) в ОЭС, будет

иметь следующий вид:

λ2 λ2
∫ Φ1 ( x + dx, y, z, λ) dλ − ∫ Φ2 ( x + dx, y, z,λ)dλ

W ( x + dx, y, z, λ) = λ1

λ1
dx

.

Амплитуда потока рассогласования при противофазной модуляции потоков излучения ис-
точников с учетом зависимости распределения энергии в пределах переходной зоны lп (λ) [1]
определяется как

∫ ∫dΦ

( m, λ )

=

πSЗБП SПЧ m2

⎛ λ2 ⎜ ⎜ ⎝ λ1

τатм

(λ)

τОС (λ) lп (λ)

Le1 (λ)



λ2

λ1

τатм

(λ)

τОС (λ) lп (λ)

Le2

(λ)



⎞ ⎟ dx ⎠⎟

,

(1)

где τатм (λ) — пропускание атмосферы; τОС (λ) — пропускание оптической системы;
SЗБП — площадь выходного зрачка объектива ЗБП; SПЧ — площадь входного зрачка объек-
тива ФПЧ; Le1 (λ) , Le2 (λ) — спектральная плотность энергетической яркости первого и вто-

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 3

Исследование энергетической чувствительности в ОЭС

33

рого источников оптического излучения в одном канале; m — расстояние между ЗБП и
ФПЧ; lп (λ) — линейный размер переходной зоны [1] в направлении исследуемой оси коор-
динат. В общем виде размер переходной зоны определяется выражением

lп (λ) = k (λ) δϕ(λ) m + DЗБП

m0 (λ) − m m0 (λ)

,

где k (λ) — коэффициент, характеризующий форму распределения аберраций объектива
ЗБП; δϕ(λ) — угловая сферическая аберрация объектива ЗБП; DЗБП — диаметр выходного зрачка объектива ЗБП; m0 (λ) — дистанция фокусировки объектива ЗБП.
В соответствии с законами геометрической оптики дистанция фокусировки m0 (λ) оп-
ределяется выражением

m0

(λ)

=

a

f ′(λ)a + f ′(λ)

,

где a — расстояние от передней главной плоскости объектива до ребра разделительной призмы, формирующей ОРСЗ; f ′(λ) — заднее фокусное расстояние объектива ЗБП.
Следовательно, объектив, сфокусированный на расстояние m01 для длины волны λ1 ,
для λ2 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, λ )

=

2πSЗБП SПЧ m2

λ2

λ1

τатм (λ) τОС (λ) Le (λ) m0 (λ) k (λ) δϕ(λ) m0 (λ) m + DЗБП m0 (λ) − m

dλ ,

где Le (λ) — функция спектральной плотности энергетической яркости источника оптическо-
го излучения. С учетом спектральной чувствительности фотоприемника эффективное значение энер-
гетической чувствительности

∫Wэф

=

2πSЗБП SПЧ m2

λ2 λ1

τатм (λ) τОС (λ) Le (λ) m0 k (λ) δϕ(λ) m0 (λ) m + DЗБП

(λ)s(λ) m0 (λ) − m



,

где s (λ) — 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/м2) 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 λ=0,43 мкм (ПИД типа BL-(B) до 84 % при λ=0,81 мкм (ПИД типа 3Л136-А). Таким образом, эффективная чувствительность к смещению ФПЧ для системы

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 3

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

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

W⋅10–5, Вт/м 5

3Л136-А

2 4

3

21

1 BL(B)

BL(G)

BL(R)

00,4 0,5 0,6 0,7 0,8 λ, мкм
Рис. 2
Для полихроматической ОРСЗ, образованной, например, двумя каналами, суммарная эффективная энергетическая чувствительность определяется как

∫WэфΣ

= Wэф1

+ Wэф2

=

2πSЗБП SПЧ m2

⎛ λ2 ⎜ ⎜ ⎝ λ1

k

τатм (λ) τОС (λ) Le′ (λ) m0 (λ) δϕ(λ) m0 (λ) m + DЗБН

(λ)s(λ) m0 (λ) −

m



+

+

λ4

λ3

k

τатм (λ) τОС (λ) Le′′ (λ) m0 (λ) δϕ(λ) m0 (λ) m + DЗБН

(λ)s(λ) m0 (λ) −

m

⎞ dλ⎟,
⎟⎠

где ( λ1 , λ2 ), ( λ3 , λ4 ) — диапазоны длин волн оптического излучения источников первого и второго каналов соответственно; Le′ (λ), Le′′(λ) — 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 ( λ1 , λ2 ) и ( λ3 , λ4 ), необходимо, чтобы энергетическая чувствительность была одинаковой в каждом канале, т.е. Wэф1 = Wэф2 .
С учетом одинаковых значений величин SЗБП , SПЧ , DЗБП и m для двух каналов получаем

λ2

λ1

τатм (λ) τОС (λ) Le′ (λ) m0 k (λ) δϕ(λ) m0 (λ) m + DЗБП

(λ)s(λ) m0 (λ) − m



λ2
=∫ λ1

k

τатм (λ) τОС (λ) Le′′ (λ) m0 (λ)δϕ(λ) m0 (λ) m + DЗБП

(λ) s (λ) m0 (λ) −

m



,

(2)

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

λ2 λ4
∫ τатм (λ) τОС (λ) Le′ (λ) s(λ)dλ = ∫ τатм (λ) τОС (λ) Le′′(λ) s(λ)dλ .
λ1 λ3

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 3

Исследование энергетической чувствительности в ОЭС

35

Основываясь на анализе хода кривой 2 (см. рис. 2), обеспечить равенство чувствительностей 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 научнопедагогические 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 оптикоэлектронных 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.

Сведения об авторах

Антон Андреевич Мараев

— аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики, ка-

федра оптико-электронных приборов и систем;

E-mail: antoshka87@gmail.com

Игорь Алексеевич Коняхин

— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский национальный ис-

следовательский университет информационных технологий, механики

и оптики, кафедра оптико-электронных приборов и систем;

E-mail: igor@grv.ifmo.ru

Александр Николаевич Тимофеев — канд. техн. наук; Санкт-Петербургский национальный исследователь-

ский университет информационных технологий, механики и оптики,

кафедра оптико-электронных приборов и систем;

E-mail: timofeev@grv.ifmo.ru

Рекомендована кафедрой оптико-электронных приборов и систем

Поступила в редакцию 12.04.11 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 3