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

50 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

25322. Физиологическое значение коры больших полушарий 30 KB
  Пирамидные нейроны осуществляют эфферентную функцию коры преимущественно через пирамидный тракт и внутрикорковые процессы взаимодействия между удаленными друг от друга нейронами. Наиболее крупные пирамидные клетки гигантские пирамиды Беца находятся в передней центральной извилине моторной зоне коры. Функциональной единицей коры является вертикальная колонка взаимосвязанных нейронов.
25323. Структурно-функциональные особенности вегетативной НС 31 KB
  Вегетативной нервной системой называют совокупность эфферентных нервных клеток спинного и головного мозга а также клеток особых узлов ганглиев иннервирующих внутренние органы. Эфферентные пути симпатической нервной системы начинаются в грудном и поясничном отделах спинного мозга от нейронов его боковых рогов. Эфферентные пути парасимпатической нервной системы начинаются в головном мозге от некоторых ядер среднего и продолговатого мозга и в спинном мозге от нейронов крестцового отдел а. ФУНКЦИИ СИМПАТИЧЕСКОЙ НС С участием симпатической...
25324. Механизм образования и значение условных рефлексов 37 KB
  запах мяса для слюнного рефлекса и искусственные на посторонние сигналы например запах мяты; 2 наличные и следовые на условный сигнал непосредственно предшествующий безусловному подкреплению и на его следовое влияние; положительные с активным проявлением ответной реакции и отрицательные с ее торможением; 4 условные рефлексы на время при ритмической подаче условных сигналов ответная реакция появляется через заданный интервал даже при отсутствии очередного сигнала; 5 условные рефлексы первого порядка на один предшествующий...
25325. Высшая нервная деятельность 31 KB
  Синтетическая деятельность коры полушарий большого мозга обеспечивает объединение сигналов поступающих от различных анализаторов от органов чувств от функциональных центров нервной системы. Такая синтетическая деятельность мозга человека возможна благодаря многочисленным и разнообразным ассоциативным связям между различными отделами центральной нервной системы. Типы нервной системы Нервные реакции в организме у разных людей отличаются по силе подвижности и уравновешенности. На основании этих трех признаков в первую очередь силы нервных...
25326. Первая и вторая сигнальные системы 44 KB
  И у человека вырабатываются условные рефлексы на различные сигналы внешнего мира или внутреннего состояния организма если только различные раздражения экстеро или интерорецепторов сочетаются с какимилибо раздражениями вызывающими безусловные или условные рефлексы. И у человека при соответствующих условиях возникает внешнее безусловное или внутреннее условное торможение. И у человека наблюдается иррадиация и концентрация возбуждения и торможения индукция динамическая стереотипия и другие характерные проявления условнорефлекторной...
25327. Типы высшей нервной деятельности 36.5 KB
  Современное представление об анализаторах как сложных многоуровневых системах передающих информацию от рецепторов к коре и включающих регулирующие влияния коры на рецепторы и нижележащие центры привело к появлению более общего понятия сенсорные системы. 0036 Рецепторы и их свойства Рецепторами называются специальные образования преобразующие энергию внешнего раздражения в специфическую энергию нервного импульса. Все рецепторы по воспринимаемой среде делятся на экстерорецепторы принимающие раздражения из внешней среды рецепторы органов...
25328. Кожная рецепция 24 KB
  Ее рецепторы представляют собой свободные нервные окончания и сложные образования тельца Мейснера тельца Пачини в которых нервные окончания заключены в специальную капсулу. Это механорецепторы реагирующие на растяжение давление и вибрацию. При температуре кожи 3137С эти рецепторы почти неактивны. Ниже этой границы холодовые рецепторы активизируются пропорционально падению температуры затем их активность падает и совсем прекращается при 12 С.
25329. Интеро- и проприорецепция 30.5 KB
  Все эти рецепторы представляют собой механорецепторы специфическим раздражителем которых является их растяжение. Сухожильные рецепторы оплетают тонкие сухожильные волокна окруженные капсулой. Таким образом в отличие от мышечных веретен сухожильные рецепторы информируют нервные центры о степени напряжения мышц и скорости его развития.
25330. Двигательный анализатор 39.5 KB
  Интрафузалъные волокна подразделяются на два типа: 1 длинные толстые с ядрами в ядерной сумке которые связанны с наиболее толстыми и быстропроводящими афферентными нервными волокнами они информируют о динамическом компоненте движения скорости изменения длины мышцы и 2 короткие тонкие с ядрами вытянутыми в цепочку информирующие о статическом компоненте удерживаемой в данный момент длине мышцы. Другие суставные рецепторы возбуждаются только в момент движения в суставе т. посылают информацию о скорости движения.