1200

Энергетический расчет оптико-электронного прибора

Научная статья

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Для обеспечения работоспособности любого оптико-электронного прибора важно получить определенные энергетические соотношения между полезным сигналом и порогом чувствительности прибора. В качестве материала анализирующей призмы, при заданном диапазоне измерения коэффициента преломления.

Русский

2013-01-06

55 KB

51 чел.

Энергетический расчет оптико-электронного прибора

  Для обеспечения работоспособности любого оптико-электронного прибора важно получить определенные энергетические соотношения между полезным сигналом и порогом чувствительности прибора. Порог чувствительности прибора обычно определяется шумами.

    Для обеспечения устойчивой работы, при выбранном алгоритме функционирования, необходимо обеспечить равномерную засветку анализирующей площадки в рабочем угле поля анализа ωа.

  Линейные размеры площадки анализа определяются техническим заданием и равны 10х5мм, а угол анализа определяется на основании расчета оптической схемы с учетом выбора базовых компонентов. Такими компонентами являются: материал анализирующей призмы, приемник излучения, световод и источник излучения.

        В качестве материала анализирующей призмы, при заданном диапазоне измерения коэффициента преломления, выбрано стекло марки К8.  Тем самым определен необходимый рабочий угол равномерного освещения излучателя и рабочее поле зрения анализирующего объектива. Этот угол на входе призмы равен 17.895о или ±8.95о в плоскости изменения угла полного внутреннего отражения совмещенного с расположением фотоприемника.

      В качестве фотоприемника выбрана CCD линейка марки ILX 751B. Использование такого приемника позволяет обеспечить статистическое сканирование поля анализа, т.е. обеспечить поиск зоны ПВО или НПВО без использования подвижных механических узлов.

      Поперечный размер чувствительной площадки соответствует размеру отдельного пикселя 14Х14мкм. Что определяет очень маленькую величину рабочего поля анализа в поперечном направлении, а, следовательно, и слабое использование мощности источника излучения.

   Для обеспечения достаточного сигнал/ шум необходимо использовать сверхяркие светодиоды с оптическим согласованием для равномерной засветки анализирующей площадки. Оптическое согласование должно предусматривать равномерность по площади и полю в рабочем диапазоне. Иначе говоря, анализирующая площадка должна быть равномерно освещена 10х5мм и по полю в пределах телесного угла сечением 18°. Поэтому необходимо выбрать светодиод, имеющий сверхяркую интенсивность и достаточно большую площадь выходного зрачка. В этом смысле представляет интерес светодиод типа TLCS5100, который характеризуется силой света 7500мКд и углом поля зрения 18°. Однако форма его зрачка не соответствует требуемой и недостаточна для прямой засветки анализирующей площадки. Для трансформации формы используем волоконный световод с хаотической укладки волокна и неизменной площадью передней и задней зрачкам. Передний зрачок равен выходному зрачку светодиода и равен

Площадь анализирующей призмы с учетом угла падения равна 25мм2. Интенсивность светового потока на выходе равна интенсивности на входе с учетом пропускания световода. В зависимости от плотности укладки и относительно порванных относительного количества волокон пропускание меняется в диапазоне от 0.5-0.67. Для гарантированного обеспечения сигнал/ шум выбираем минимальное значение коэффициента пропускания. В таком случае интенсивность светового потока на анализирующей поверхности равна:

   Приемник излучения имеет паспортные данные, выраженные в единицах световой освещенности плоскости расположения линейки.

  Основные параметры приемника ILX 751B:

Чувствительность                                                                     Sc=40 В/лк*с

Неравномерность чувствительности по длине                      PRNU-2%

Максимальный выходной сигнал                                           Umax=1.8В.

Темновое выходное напряжение                                             Uт=0.3 мВ.

Неравномерность темнового сигнала                                     UΔUт=0.5 мВ.

Динамический диапазон                                                          6* 103

Максимальная экспозиция                                                      0.045 лк*с

Питание +9В                                                                              4ма (8max)

              +5В                                                                              1.8ma (5max)

Выходной импеданс                                                                  600 Ом

Выходной начальный уровень                                                +4В.

Особенностью работы приемников излучения типа выбранного, заключается в том, что сигнал и темновой ток отдельного пикселя накапливаются в течении четко стробируемого интервала времени. Именно поэтому чувствительность приемника задается в единицах экспозиции (В/ лк*с) и при этом ограничивается величина экспозиции максимальным уровнем 4.5*10-2 лк*с.

         Так как измеряемый прибор является измерительным, то для обеспечения максимальной разрешающей способности необходимо максимально использовать его динамический диапазон.

       В качестве базового источника света выбираем сверхяркий светодиод типа TLCS5100, который имеет зрачок ø5.1мм и интенсивностью излучения 7500 м Кд при угле поля зрения 18°. Этот угол соответствует диапазону изменения угла полного внутреннего отражения разработанной оптической схемой прибора.

        Для нахождения освещенности выходного зрачка светодиода найдем величину потока на его выходе.

                                                      

Где Iд – паспортная интенсивность светодиода, выраженная в Кд

       ω- телесный угол, в котором эта освещенность обеспечена.

                                             

Получаем, что величина потока излучения равна:

                                

Тогда освещенность выходного зрачка   СД, с учетом его площади SД будет

                       

      В случае, когда приёмная площадка приёмника излучения оптически совмещена с выходным зрачком СД и можно пренебречь потерями на оптическое преобразование, время для достижения максимальной экспозиции будет равно

                                     

   Реально, в структуре прибора  поток до прихода на приемник излучения проходит ряд необходимых или физически реально действующих оптических преобразований.

     Прежде всего, поток излучения должен заполнить полностью анализирующую площадку. Размер сечения потока для такого заполнения равен 10х5мм, площадь равна 50мм2. Площадь выходного зрачка существенно меньше и используемая оптическая система для согласования зрачков  приведёт к уменьшению эффективной яркости. Затем учитывая, что равномерность излучения по выходному сечению в паспорте на светодиод не гарантируется и для трансформации и согласования зрачков светодиода и оптической системы целесообразно использовать волоконо- оптическую систему с хаотической укладкой. Такие системы характеризуются коэффициентом пропускания 0.5÷0.6.

      Используемый алгоритм нахождения значения показателя преломления предполагает работу с только одной компонентой поляризации излучения СД, поэтому в оптической схеме присутствует поляризационный фильтр, который характеризуется коэффициентом пропускания 0,4

   Так как анализирующая система представляет собой коллиматор, то зная фокус его объектива и расходимость излучения на его входе можно найти  площадь засветки в его фокальной плоскости.

                             

     Освещённость приёмной площадки с учётом пропускания оптической системы может быть найдена в виде:

                           

     Зная требуемую величину экспозиции для получения максимального сигнала, найдём требуемое время экспозиции:

                              

    Согласно паспорту приёмника излучения, время экспозиции не должно превышать величину в 10мс, поэтому необходимо использовать светодиод в импульсном режиме. При сохранении средней мощности на СД во времени, возможно его форсирование более чем в 100 раз. При форсировании равном 100 время экспозиции будет равно 546мкс, что соответствует рекомендациям по использования приёмника излучения.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13413. Робота зі списками в MS Excel 53 KB
  Автори: Бондар Н.П. Глушак О.М. Дисципліна Інформаційні технології та ТЗН ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №15. Тема: Робота зі списками в MS Excel. Мета: Формувати практичні вміння та навички роботи із засобами сортування та фільтрації в MS Excel. ...
13414. Створення дидактичних матеріалів засобами MS Excel 580 KB
  Автори: Бондар Н.П. Глушак О.М.Дисципліна Інформаційні технології та ТЗН ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1617. Тема: Створення дидактичних матеріалів засобами MS Excel. Мета: Формувати практичні вміння та навички розроблювати дидактичні матеріали з автоматичним виз...
13415. Радіаційна безпека 143.5 KB
  Радіаційна безпека Мета роботи: вивчити теоретичні положення про радіаційну безпеку навчитись вимірювати дозу іонізуючого випромінювання скласти орієнтований раціон харчування. Зміст роботи: 1. Поняття радіації. 2. Вплив радіації на біологічні структури. 3. Мет...
13416. Параметри функціонального стану організму людини як умова її безпеки 113 KB
  Лабораторна робота № 3 Параметри функціонального стану організму людини як умова її безпеки Мета: ознайомитися з найбільш поширеними методами визначення фізіологічного та психологічного стану людини використати дані методи для аналізу параметрів власного стану. ...
13418. Кількісна оцінка ризику 24.02 KB
  Лабораторна робота №5 Кількісна оцінка ризику Мета роботи Набуття студентами навичок кількісної оцінки ступеня ризику реалізації небезпечності певного класу. Зміст роботи: Кількісна оцінка ризику Індивідуальний ризик Соціальний ризик Хід роботи ...
13419. Пожежна безпека 551.5 KB
  Лабораторна робота №1 Пожежна безпека Мета роботи. Вивчити: алгоритм дій під час пожежі; основні види знаків та сигнальних кольорів пожежної безпеки; будову принцип дії та особливості використання різних типів вогнегасників; протипожежної водопровідної системи. ...
13420. Визначення перехідної поверхні при порушенні умов формоутворення 16.73 KB
  Визначення перехідної поверхні при порушенні умов формоутворення Ціль роботи: Дослідження форми і умов утворення перехідної поверхні при обробці ступінчатого валу торцевою фрезою. Вихідні дані: r радіус малої сходинки валу; 2r радіус великої сходинки ва...
13421. Базовые понятия компьютерной графики. Инициализация графической среды 110 KB
  Лабораторная работа №1 Тема Базовые понятия компьютерной графики. Инициализация графической среды. Задание Создать программу которая выводит на экран ФИО исполнителя с помощью линий используя ручки и разные цвета. Теоретические сведения ...