Проектирование круглосуточной оптико-телевизионной системы (стр. 2 из 12)
2) Расчет диаметра входного зрачка объектива.
См. расчет дальности распознавания.
Габаритный расчёт оптической схемы лазерного коллиматора
В данном осветителе используется лазерный излучатель ИЛД-20 самарского предприятия "Инжект". Его технические данные:
· Тип активной среды: полупроводниковая структура на основе Ga-As.
· Тип накачки: инжекция носителей электрическим током.
· Длина волны излучения λ = 850 нм.
· Длительность импульса τи = 10-7 с.
· Частота следования импульсов Fи = 10 кГц.
· Мощность одного импульса Pи = 20 Вт.
· Размер излучающей области dлазверxdлазгор = 0,001 х 0,470 мм2.
· Расходимость излученияδлазверxδлазгор = 30° х 10°.
· Поляризация излучения ТЕ (Е в плоскости p-n перехода).
1) Определим фокусное расстояние коллиматора.
Так как протяженность излучающей области по горизонтали намного больше, то очевидно, что при нахождении нужно обеспечить горизонтальную расходимость. Удовлетворяющее этому условию фокусное расстояние обеспечит вертикальную расходимость автоматически.
Для согласованности каналов примем расходимость по горизонтали лазерного пучка 2σ не более 1,8°. Тогда:
мм(6)2) Определение диаметра входного (в обратном ходе лучей) зрачка коллиматора.
Излучение лазера по уровню 0,5 должно попадать на коллиматор. Так как в вертикальной плоскости его расходимость больше, то именно она и будет определять диаметр коллиматора:
мм (7)3) Определение истинных габаритных размеров.
Очевидно, что проведенные выше расчеты по формулам классической оптики являются приблизительными для лазерного излучения. Уточнив расчет при помощи компьютерной программы, разработанной на кафедре РЛ2, получим:
Расчёт дальности распознавания объекта
Дальность видения (предельная) – это расстояние, на котором изображение, полученное оптико-электронным прибором, воспринимается с требуемым уровнем видения. Для введения критериев, определяющих возможный уровень видения, вводится понятие эквивалентной миры. Объект исследования характеризуется критическим размером Hкр. На нём укладывается несколько (N) периодов (Tmir) эквивалентной миры. Число N определяет уровень восприятия и вероятность восприятия. Контраст миры и условия её наблюдения должны соответствовать контрасту и условиям наблюдения объекта.
Критерии Джонсона[1]связывают число N с вероятностью восприятия:
| Уровень видения | N ( p = 50% ) | N ( p = 95% ) |
| Обнаружение | 1 | 2 |
| Различение | 4 | 8 |
| Идентификация | 8 | 16 |
Установив связь между контрастом изображения шпальной миры и воспринимаемым отношением сигнал/шум, мы можем найти такое расстояние L, при котором воспринимаемое отношение сигнал/шум примет пороговое значение.
Так как в приборе будет использоваться алгоритм цифрового распознавания надписей, то нет необходимости обеспечивать вероятность визуальной идентификации p = 95% при N=16. Примем N = 10.
Расчет дальности распознавания объекта НУТВ
Данные для расчёта:
1) Входной объектив.
Фокусное расстояние Fob = 1307 мм.
Диаметр входного зрачка (кольцевой зрачок имеет минимальный и максимальный диаметры) D = 250 мм, d = 120.
Рабочий диапазон: ∆λ = 0,6 – 0,9 мкм.
Интегральный коэффициент пропускания в рабочем диапазоне: Kob(λ) = 0,8.
Центральная длина волны λ0 = 0,75 мкм.
2) Электронно-оптический преобразователь 58 ЭГ.
Увеличение Гamp = 1х.
Диаметр фотокатода 18 мм.
Интегральная чувствительность фотокатода SpcΣ = 1200 мкА/лм.
Шум-фактор ЭОП Fn = 4,6.
Коэффициент преобразования 25000.
Плотность темнового тока Jth = 9∙10-14 А/см2.
Коэффициент умножения МКП
= 200.Эффективность люминофора
= 0,06 Вт/Вт.Напряжение разгона электронов
= 5600 В.ФПМ на частоте 55 мм-1 имеет значение 0:
· Нормированная спектральная чувствительность фотокатода Spc_norm(λ):
3) Объектив переноса.
· Коэффициент преобразования плотности излучения экрана оптикой переноса, равный отношению освещённости на ПЗС-матрице к светимости экрана ЭОП
= 0,095.· Увеличение |Гtr| = 0,46x.
· Коэффициент передачи модуляции объективом на пространственной частоте 60 мм-1 в пространстве изображений: для точки на оси не менее 0,7; для края линейного поля зрения оптической системы в пространстве изображений не менее 0,6.
4) ПЗС-матрица.
· Коэффициент спектрального соответствия люминофора экрана чувствительности ПЗС
= 0,9.· Интегральная чувствительность ПЗС
= 0,19 А/Вт.· Коэффициент использования времени накопления глаза
= 1.· Размерность по горизонтали и вертикали Nv = 596, Nh = 795 элементов.
· Эффективные (с учётом локальных линз и анти-алиас фильтров) размеры элемента матрицы по горизонтали и по вертикали
.· Шаг матрицы по горизонтали и вертикали
мкм, 
мкм.· Темновой ток матрицы Idk = 1,5∙10-9 А.
5) Электронный тракт.
В расчетах не учитываем.
7) Фоноцелевая обстановка.
7.1) Цель №1: буква на борту судна, являющаяся частью его названия.
Имеет высоту 1,8 м, ширину 0,5 м, покрашена белилами свинцовыми № 20 с алюминиевым наполнителем[4].
Фон - борт судна. Покрыт алкидной смолой № 3875 с сажевым наполнителем.
Рис. 1. Спектральный коэффициент отражения алкидной смолы с сажевым наполнителем.
7.2) Цель №2: корма судна в море. Имеет высоту 3 м, ширину 6 м. Покрыта алкидной смолой № 3875 с сажевым наполнителем[4] (см. рис. 5).
Фон – морская поверхность.
· Естественная ночная освещённость ЕV = 5 ∙ 10-3 лк.
· Расчёт отношения сигнал/шум для цели №1.
Найдём максимум спектральной чувствительности фотокатода ЭОП к энергетическому потоку по известной интегральной чувствительности фотокатода к световому потоку по формуле:
[мА/Вт], (8),где
V(λ) – нормированная кривая спектральной чувствительности глаза:
- интегральная чувствительность фотокатода [мкА/лм], 
- нормированная спектральная чувствительность фотокатода, 
- относительная спектральная плотность излучения источника типа А.Спектральную плотность излучения источника типа А (Т = 2856 К) найдём по формуле Планка[3]:
[Вт/м3], где(9)λ – длина волны [м],
Т – температура [К],
c1 = 3,7415∙10-16 [Вт∙м2],
c2 = 1,43880∙10-2 [м∙К].
Продифференцировав это выражение, а затем приравняв результат к нулю, мы найдём из полученного уравнения длину волны λмакс, на которой излучение наиболее интенсивно:
λмакс = 1,015 [мкм].Очевидно, что
:(10) 
Рис. 2. Нормированная кривая спектральной яркости источника типа А.
Таким образом, после интегрирования получим:
= 152,448 [мА/Вт].· Относительная спектральная яркость ночного неба Rnight(λ) в диапазоне 0,4 – 1 мкм соответствует относительной спектральной яркости источника типа А (см. рис. 7).
Найдем яркость объекта:
Если считать Солнце абсолютно черным телом с температурой Т = 5217 К, то коэффициент использования глазом излучения такого источника будет равен:
, где(11) 
- относительная спектральная яркость Солнца.Интегральную облученность объекта найдём по формуле:
(12)Максимум спектральной облученности:
(13)Спектральная облученность объекта:
(14)