Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы и методы работы

Введение

В настоящее время оптико-электронные приборы (ОЭП) исполь­зуются при решении самых разнообразных задач: при линейных и уг­ловых измерениях, автоматическом слежении и управлении, иссле­довании природных ресурсов и окружающей среды, обработке опти­ческих изображений. Их применяют во всех отраслях народного хо­зяйства, науки, техники, и области приложения этих приборов непре­рывно расширяются.

Свойства электромагнитного излучения широко используются в современной науке и технике, особенно в бесконтактных, дистанци­онных устройствах контроля, измерения, передачи и преобразования информации, сбора и передачи энергии и др. Среди приборов, основан­ных на использовании электромагнитного излучения, особое место занимают ОЭП, которым свойственны высокая точность, быстродей­ствие, возможность обработки многомерных сигналов и другие цен­ные для практики свойства.

Оптико-электронными называются приборы, в которых информа­ция об исследуемом или наблюдаемом объекте переносится оптичес­ким излучением (содержится в оптическом сигнале), а её первичная обработка сопровождается преобразованием энергии излучения в элек­трическую энергию. В состав этих приборов входят как оптические, так и электронные звенья, причем и те и другие выполняют основные функции данного прибора, а не являются вспомогательными устрой­ствами (например, узлами подсветки отсчетных шкал, устройствами термостабилизации и т. д.).

Оптико-электронные приборы: определение, обобщенные схемы и методы работы

Структура многих современных ОЭП достаточно сложна. Она включает большое число различных по своей физической природе и принципу действия звеньев — аналоговых и цифровых преобразований электрических сигналов, микропроцессоров, механических и электромагнитных узлов и др. Поэтому ОЭП часто называют оптико-электронными системами (ОЭС).

Действие ОЭП основано на приеме и преобразовании электромагнит­ного излучения в различных диапазонах оптической области спектра, т. е. в ультрафиолетовой (УФ), видимой и инфракрасной (ИК) частях его. Одна из возможных обобщенных схем работы ОЭП представлена на рис. 1.1. Источник излучения естественного или искусственного происхождения создает материальный носитель полезной информа­ции - поток излучения.

Этим источником может быть сам исследуемый объект. Часто источник излучения дополняется передающей оптической системой, которая направляет поток на исследуемый объект или непосредствен­но в приемную оптическую систему (если наблюдается сам источник).

Приемная оптическая система собирает поток, излучаемый наблюдае­мым объектом или отраженный от него, формирует этот поток и направ­ляет его на приемник излучения.

Приемник превращает сигнал, пере­носимый потоком излучения (оптический сигнал), в электрический.

Рис. 1.1. Обобщенная схема работы ОЭП

Источник излучения (с передающей оптической системой), при­емная оптическая система, приемник излучения, а иногда и первые звенья следующего за приемником электронного тракта образуют си­стему первичной обработки информации ОЭП. Назначением её явля­ется получение сигнала (информации) от наблюдаемого или исследуе­мого объекта в виде, удобном для дальнейшей обработки или исполь­зования

Выходной блок формирует сигнал, по своим параметрам удовлет­воряющий требованиям получателя информации.

Помимо исследуемого объекта («полезный» излучатель) на рис. 1.1. показаны и возможные на практике «вредные» излучатели (фоны, помехи). Взаимное расположение звеньев может быть и не­сколько иным. Отдельные звенья на практике представляют собой весь­ма сложные устройства, например, в состав источника излучения могут входить передающая оптическая система, фильтры, модулятор и т.д.. Иногда в состав ОЭП не входят некоторые из перечисленных зве­ньев. Это определяется, как правило, методом работы прибора.

При активном методе работы (рис. 1.2, а) исследуемый или наблюдаемый объект 2 облучается источником электромагнитных волн /, параметрами и характеристиками которого может управлять оператор, проводящий исследование и наблюдение.

Рис. 1.2. Методы работы ОЭП: а - активный; б - пассивный; о - полуактивный

При этом наилучшим образом удается согласовать параметры источника 1 (передающей системы), объекта 2, среды распростране­ния излучения и приемной системы 3. Это очень часто позволяет ре­шить задачу помехозащищенности ОЭП, например, достаточно эф­фективно отделить полезный сигнал от сигнала помехи.

При реализации активного метода необходимо иметь специаль­ный источник, который иногда бывает очень сложным, громоздким и потребляет большую мощность.

При пассивном методе работы (рис. 1.2, б) используется собствен­ное излучение наблюдаемого объекта 2, которое принимает ОЭП 3, а часто и отраженное от объекта излучение, создаваемое внешним ис­точником естественного происхождения, например, Солнцем. Для повышения помехозащищенности здесь приходится особенно тща­тельно следить за оптимальным соотношением между параметрами ОЭП, объекта и среды распространения излучения.

Иногда искусственный или естественный источник 1 облучает не один, а ряд объектов 2', 2", 2'" и т. д. (рис. 1.2, в). Как правило, ОЭП Должен выделить поток, отраженный от одного из них, причем часто параметрами излучения, облучающего объекты, управлять нельзя (например, в случае использования естественной освещенности). Та­кой метод работы обычно называют полуактивным.