1.1. Современное понятие и классификация оптико-электронных приборов и систем (ОЭП и С)
Среди приборов, использующих оптическое излучение, особое место занимают оптико-электронные приборы и системы, которым свойственны высокая точность, быстродействие, возможность обработки многомерных сигналов и другие, ценные для теории и практики, свойства.
Определение ОЭП (или ОЭС): оптико-электронными называются приборы (или системы), в которых информация об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптическим излучением или содержится в оптическом сигнале, а ее первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения в электрическую энергию [1].
Информация об излучающем объекте содержится в параметрах оптического сигнала: амплитуде, частоте, фазе, состоянии поляризации, длительности импульса и т. д., которые и регистрируются в приборе.
В зависимости от решаемой задачи источник излучения может являться объектом наблюдения (целью) или фоном. ОЭП и ОЭС можно классифицировать по следующим признакам:
а) область спектра;
б) способ использования информации;
в) решаемая задача;
г) ширина полосы длин волн, в которых прибор чувствителен;
д) режим работы.
Рассмотрим эти признаки по порядку.
1. Исходя из используемой области спектра, ОЭП подразделяются на приборы, работающие в УФ (0,10 ÷ 0,380 мкм), видимой (0,3800 ÷ 0,7800 мкм) и ИК (0,7800 мкм ÷ 1 мм) областях спектра.
2. Способ использования информации определяет, является ли ОЭП автоматическим, т. е. принимающим решение без участия человека, или индикационным, обеспечивающим выдачу информации в виде, пригодном для принятия решения человеком.
3. Исходя из решаемой задачи, ОЭП можно подразделить на пеленгаторы, определяющие положение цели (в том числе, и автоматические пеленгаторы – оптические головки самонаведения (ОГС)), дальномеры, определяющие дальность до цели, приборы ночного видения (ПНВ) и телевизоры, определяющие форму предмета (в том числе, тепловизоры, формирующие изображение по излучению предмета в ИК области спектра), пирометры – приборы для измерения температуры объектов.
Кроме того, существует класс приборов, предназначенных для определения фотометрических характеристик излучения, оптических свойств тел и сред, поляризации излучения и т. д. Все эти приборы можно назвать оптико-физическими. К ним, в первую очередь, следует отнести оптические радиометры.
4. Ширина полосы длин волн, где прибор чувствителен, позволяет подразделить ОЭП на спектральные (спектрометры, спектрофотометры), интегральные (радиометры) и спектрозональные – спектрорадиометры.
Согласно режиму работы, ОЭП делятся на два больших класса – активные и пассивные ОЭП.
Активные ОЭП – это приборы, в которых для облучении цели используется оптический квантовый генератор (ОКГ). Часть излучения ОКГ отражается от цели, и только часть этого отражения поступает на вход ОЭП.
Пассивные ОЭП – это приборы, воспринимающие собственное (тепловое) излучение объектов (и фонов) и отраженное ими излучение естественных источников (Солнца, Луны, рассеянное излучение атмосферы и подстилающей поверхности).
С использованием работ [1, 2] классификация ОЭП по всем рассмотренным признакам приведена на рис. 1.1. Требования к ОЭП определяются, исходя из необходимости решения задач военного характера (обнаружение, слежение, сопровождение и подрыв цели), а также ряда проблем народнохозяйственного значения (космическая съемка, исследование природных ресурсов), которые не решаются визуальными оптическими и радиоэлектронными приборами.
1.2. Расчет оптико-электронных систем
К задачам расчета ОЭС можно отнести следующее:
1) выбор и расчет оптической схемы ОЭС;
2) энергетический расчет прохождения произвольно поляризованного излучения через оптическую систему ОЭП, позволяющий определить поляризационные параметры оптической системы;
3) анализ явлений, имеющих место при взаимодействии оптического излучения с элементами оптической схемы;
4) выбор источников и приемников излучения конкретных схем ОЭС и расчет их параметров;
5) спектральный, пространственный и поляризационный анализ оптических сигналов и помех в ОЭС;
6) расчет отношения сигнал/шум на выходе приемника излучения и на выходе всей ОЭС;
7) расчет вероятности обнаружения сигнала на фоне помех;
8) расчет уровней излучения точечных и протяженных объектов применительно к активным и пассивным ОЭС;
9) оценка прохождения оптического излучения и преобразование его параметров и характеристик при распространении в однородной и неоднородной атмосфере Земли;
10) расчет дальности действия ОЭП и С;
11) расчет потенциальной точности ОЭП и С;
12) расчет динамических, случайных и инструментальных погрешностей ОЭП и С.
Рис. 1.1. Классификация оптико-электронных приборов и систем
1.3. Краткий исторический очерк развития ОЭП и С. Современный уровень теории и практики ОЭП и С
Исследование свойств оптического излучения ведется очень давно, однако практическое использование этих свойств для передачи, хранения и приема информации в широком диапазоне спектра стало возможным лишь, начиная с 30-40-х гг. XIX в. В 1800 г. В. Гершель установил существование невидимого – ИК, или теплового излучения. Во второй половине XIX в. были установлены законы теплового излучения, создана электромагнитная теория, а в самом начале XX в. усилиями Б.Б. Голицина, П.Н. Лебедева, В. Вина, М. Планка, А. Эйнштейна и других ученых были сформированы основные закономерности оптического некогерентного излучения, т. е. основные закономерности теплового излучения тел. Практически одновременно, с изучением свойств источников излучения, исследовались приемники оптического излучения. В 1839 г. А. Беккерель обнаружил образование фото-ЭДС на контактах разнородных материалов. В 1875 г. был создан первый селеновый фотоэлемент, а в 1880 г. – первый болометр. В 1886 г. Г. Герц обнаружил внешний фотоэффект, а в 1987 г. А.Г. Столетов сформулировал его основные законы. В нашей стране первый фотоэлемент с кислородно-цезиевым катодом был разработан П.В. Тимофеевым в 1930 г. В 1934 г. Л.А. Кубецкий сконструировал первый в мире многоканальный фотоумножитель. В 30-х гг. XX в. появились первые фоторезисторы, чувствительные в ИК области спектра. К этому времени усиливается интерес к практическому использованию ИК излучения, особенно в военном деле. Это объясняется тем, что многие военные цели (летательные аппараты, наземные объекты, корабли и т. д.) обладают мощным собственным излучением в ИК области спектра, что позволяет обнаружить их пассивным методом. Кроме того, пространственное разрешение в ИК диапазоне гораздо выше, чем в радиодиапазоне. К концу второй мировой войны были созданы ИК самонаводящиеся бомбы, системы управления огнем на базе ЭОП, ПНВ, для стрелкового оружия. После окончания войны в процессе гонки вооружений было создано много систем для управления ракетами класса «воздух-воздух», «воздух-земля», «земля-воздух» и т. п. Одновременно ОЭП и С внедрились и в другие области: широко распространились ОЭП и С в космической технике
(космическая навигация и ориентация), в ИК спектроскопии и в оптико-электронной радиометрии. В последние годы ОЭС, устанавливаемые на космических и летательных аппаратах, успешно используются при исследовании природных ресурсов Земли и других планет. Подлинную революцию в развитии ОЭП и С внесло создание лазеров – ОКГ, физические основы которых заложили В.А. Фабрикант и А. Эйнштейн. Работы Н.Г. Басова и А.М. Прохорова (СССР), а также И. Таунса (США) по созданию газовых лазеров были удостоены Нобелевской премии. Создание лазеров позволило широко использовать активный метод работы ОЭП, новые методы передачи, приема и обработки оптической информации, заметно повысить помехозащитность автоматических ОЭП и С. Развитие современных ОЭП неотделимо и способствует развитию смежных областей науки и техники. Так, освоение ИК приемников потребовало совершенствования криогенной техники, предназначенной для охлаждения приемников излучения; освоение ОЭП в области 8 ÷ 14 мкм потребовало разработки новых приемников излучения (например, на основе тройных соединений) и новых оптических материалов. Все это свидетельствует о том, что развитие теории и практики ОЭП является неотделимой частью роста научно-технического прогресса. Современное состояние развития теории и практики ОЭС определяется теми потребностями, которые ставятся народным хозяйством перед сетью НИИ, КБ и заводов России, занятых проблемами спектральной, пространственной и поляризационной фильтрации оптического излучения объектов и фонов, разработкой оптических моделей объектов и фонов применительно к активным, полуактивным и пассивным ОЭС для широкой области спектра и проектированием конкретных ОЭС различных классов. Решение этих проблем осуществляется в ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова», в ФНЦ «ГИПО», в ФГУП ЦКБ «Геофизика», а также в ФГУП «Приборостроительный завод», ФГУП «ЦКБ «Точприбор», ФГУП «Сибирский НИИ оптических систем». Большой вклад в развитие теории и практики ОЭС внесли наши ведущие ученые: М.М. Мирошников, В.Л. Левшин, Ю.А. Шуба, А.И. Лазарев, Л.П. Лазарев, Ю.Г. Якушенков, Г.П. Катыс, Г.С. Горянкин, Л.З. Криксунов,
Р. Д. Мухамедяров, В.Л. Филиппов, Г.К. Холопов, Л.Ф. Порфирьев, Э.Д. Панков, С.П. Авдеев, И.С. Гибин, С.О. Мирумянц, А.Ф. Белозеров.
