По дисциплине «Источники и приемники оптического излучения»

Домашнее задание

(группы РЛ2-71,72, 73, 79)

Источник излучения расположен на оптической оси объектива ФПУ таким образом, что его ось симметрии (нормаль N к излучающей поверхности) составляет с линией визирования угол 60˚.

Источник излучения ‒ АЧТ в виде диска диаметром D_и= 1 м с температурой Т наблюдается на фоне небесной сферы, которая рассматривается как идеальный тепловой источник фонового излучения с цветовой температурой Т_ф = 5400 К. Фоновая освещенность на входном зрачке оптической системы ФПУ 200 лк.

Задание:

1) показать в единой системе координат нормированные спектры полезного и фонового излучений, функцию пропускания оптической системы t_о.с.(l) и нормированную функцию монохроматической чувствительности приемника S₀(λ);

2) определить величину интегрального энергетического потока фонового излучения, приходящего на приемник ‒ без учета поглощения в оптической системе;

3) рассчитать толщину эквивалентного слоя воды, толщину эффективного слоя воды, эффективную длину трассы по массе воздуха;

4) рассчитать и построить спектральную характеристику пропускания атмосферы t_а(l) в рабочем спектральном диапазоне ФПУ, используя метод Эльзассера;

5) предложить электрическую схему ФПУ на основе операционного усилителя сприемником излучения, параметры которого приведены в Табл.2.

7) рассчитать величину фотосигнала на входе усилителя ФПУ при заданных условиях;

8) рассчитать величину квантового шума на входе в усилитель;

9) определить отношение «сигнал/полный шум» на входе в усилитель ФПУ, полагая, что:

· заданная удельная обнаружительная способность (Табл.2) определяет электронный шум приемника на согласованной нагрузке в отсутствие потока излучения на приемнике;

· ширина Dn_ш полосы частот, пропускаемых электронным трактом ФПУ, определяется постоянной времени приемника; шум ФПУ – белый;

· полный шум ФПУ – это сумма квантового и электронного шума приемника.

10) оценить размер изображения источника излучения на фоточувствительном элементе. Размер изображения определяется в геометрическом приближении с учетом влияния дифракции (расчет по максимальной длине волны рабочего спектрального диапазона приемника) и аберраций оптической системы, которые в 10 раз превышают дифракционные искажения.

Номер варианта в Табл. 1 соответствует номеру в списке группы. Параметры приемника излучения представлены в таблицах 2 и 9, параметры модуляции потока излучения, монохроматическая характеристика пропускания оптической системы t_о.с. и геометрические параметры оптической системы приведены, соответственно, в таблицах 3, 4 и 5 для каждого варианта задания.

Таблица 1

№ вар.	Т, К	Н₀, км	L, км	g, град	x, %	t^o, град С	n_m (вар.)	t_о.с. (вар.)	Тип о.с. (вар.)
РЛ2-71
1	1000	0,3	15	90	45	12	4	5	1
2	1050	0,4	20	80	45	13	3	1	2
3	1100	0,5	20	45	46	14	2	2	3
4	1150	0,6	30	20	44	15	1	4	4
5	1200	0,7	40	10	45	16	3	3	5
6	1350	0,8	40	30	46	17	2	5	2
7	1400	0,9	50	10	47	18	3	1	4
8	1000	0,3	15	90	54	21	5	3	1
9	1050	0,4	20	80	55	22	2	3	2
10	1100	0,5	20	45	56	23	1	5	3
11	1150	0,6	30	20	54	24	2	1	4
12	1200	0,7	40	10	55	25	1	5	5
13	1350	0,8	40	30	56	26	4	2	3
14	1400	0,9	20	10	57	27	2	4	4
15	1000	0,3	15	90	58	31	4	3	5
16	1050	0,4	20	80	65	32	1	2	4
17	1100	0,5	20	45	66	33	5	3	3
18	1150	0,6	30	20	64	4	2	4	2
РЛ2-72
1	1200	0,7	40	10	65	5	2	3	1
2	1350	0,8	40	30	66	14	3	1	4
3	1400	0,9	50	10	67	14	4	3	3
4	1450	0,2	6	10	78	11	5	3	1
5	1500	0,3	7	20	77	12	1	2	2
6	1600	0,4	8	30	76	13	4	4	3
7	1550	0,5	18	40	78	14	3	1	4
8	1700	0,6	25	30	77	15	3	5	5
9	1650	0,7	21	20	76	16	2	2	3
10	1650	0,7	15	10	35	5	2	2	5
11	1000	0,9	10	15	30	7	3	1	3
12	1000	3	15	90	24	24	5	3	1
13	1050	4	20	80	25	25	2	3	2
14	1100	5	20	45	26	26	1	5	3
15	1150	6	30	20	24	27	2	1	4
16	1200	7	40	0	25	28	1	5	5
РЛ2-73
1	1800	0,8	25	10	78	17	3	1	2
2	1450	2	12	10	88	21	5	3	3
3	1500	3	17	20	87	22	1	2	2
4	1600	4	18	30	86	23	4	4	4
5	1550	5	18	40	88	24	3	1	1
6	1700	6	25	30	87	25	3	5	5
7	1650	7	21	20	86	26	4	3	3
8	1800	3	25	10	88	27	1	2	2
9	2000	7	17	0	47	31	4	3	4
10	2400	0	12	10	48	32	5	2	5
11	2450	1	13	20	45	33	5	3	3
РЛ2-79
1	1500	0	12	0	40	34	3	2	2
2	1550	3	15	20	47	35	5	3	4
3	1600	2	16	10	48	30	4	2	1
4	1700	1	17	30	45	7	4	3	1
5	1450	0,2	6	10	38	1	5	3	1
6	1500	0,3	7	20	37	2	1	2	2
7	1600	0,4	8	30	36	3	4	4	3
8	1550	0,5	18	40	38	4	3	1	4
9	1900	0,8	20	30	37	15	3	5	4
10	2000	1	15	45	36	20	1	5	3
11	1200	2	10	25	36	14	2	1	4
12	1500	3	20	0	55	0	1	5	5
Дополнительные варианты
1д	1700	0,6	25	30	37	5	3	5	4
2д	1250	7	15	45	36	24	1	5	3
3д	1150	6	20	25	36	24	2	1	4
4д	1200	6	40	0	55	0	1	5	5
5д	1350	8	40	0	56	-10	4	2	3
6д	1400	9	50	0	17	-15	2	4	4
7д	1000	3	15	90	50	-16	4	3	5
8д	1050	4	20	80	65	-17	1	2	4
9д	1100	0	20	45	45	30	5	3	3
10д	1150	6	30	20	60	32	2	4	2
11д	1200	4	30	10	65	-18	2	3	1
12д	1350	8	40	30	66	0	3	1	4
13д	1400	1	50	0	67	-20	4	3	3
14д	1450	0,2	6	10	78	11	5	3	1
15д	1500	0,3	7	20	70	-12	1	2	2
16д	1600	0,4	8	30	75	-13	4	4	3
17д	1350	8	40	30	26	12	4	2	3

Т – абсолютная температура источника излучения

Н₀ – начальная высота над уровнем моря

L – расстояние между источником излучения и ФПУ

g - угол наклона трассы к горизонту

x – относительная влажность воздуха на уровне моря

t° - температура воздуха.

Таблица 2

Приемник излучения – фотосопротивление PbSe

Темновое сопротив-ление, Ом	Размеры фоточувстви-тельного элемента, мм	Рабочая температура приемника, К	Напряжение питания (паспортное/ рабочее), В	Температура эталонного АЧТ, К	Постоянная времени, с	Интегральная чувствительность к модулированному излучению эталонного АЧТ (паспортная частота модуляции 400 Гц), В/Вт	Паспортная удельная обнаружительная способность, см×Гц^0,5×Вт^-1
1200	1х1	295	2,5/5	500	1×10^-5	10³	5×10⁸

Таблица 3

Параметры модуляции потока излучения

№ варианта	1	2	3	4	5
Частота модуляции n_m, Гц	10³	2×10³	3×10³	4×10³	5×10³
Коэффициент модуляции К_m	0,5	0,6	0,55	0,75	0,6

Таблица 4

Монохроматическая характеристика пропускания оптической системы

№ варианта	1	2	3		4	5
l, мкм	t_о.с.(l)
0,4	0	0		0,05	0	0
0,5	0	0,02		0,08	0	0
0,6	0	0,05		0,10	0,02	0
0,7	0,01	0,07		0,40	0,05	0
0,8	0,05	0,10		0,70	0,1	0,05
0,9	0,20	0,50		0,75	0,12	0,20
1,0	0,40	0,80		0,80	0,18	0,40
1,1	0,45	0,82		0,82	0,22	0,44
1,2	0,50	0,84		0,84	0,25	0,48
1,3	0,52	0,88		0,89	0,32	0,52
1,4	0,56	0,90		0,92	0,40	0,58
1,5	0,60	0,95		0,95	0,45	0,60
1,6	0,65	0,95		0,95	0,50	0,62
1,7	0,70	0,95		0,95	0,52	0,64
1,8	0,75	0,95		0,92	0,56	0,69
1,9	0,80	0,88		0,91	0,60	0,75
2,0	0,92	0,90		0,90	0,65	0,90
2,1	0,93	0,90		0,88	0,66	0,91
2,2	0,94	0,90		0,86	0,67	0,92
2,3	0,95	0,90		0,84	0,68	0,93
2,4	0,95	0,90		0,82	0,69	0,94
2,5	0,95	0,90		0,80	0,70	0,95
2,6	0,95	0,90		0,80	0,74	0,95
2,7	0,94	0,90		0,78	0,76	0,94
2,8	0,93	0,89		0,76	0,78	0,93
2,9	0,92	0,88		0,74	0,80	0,92
3,0	0,91	0,87		0,70	0,82	0,91
3,1	0,90	0,86		0,65	0,85	0,90
3,2	0,88	0,84		0,60	0,90	0,86
3,3	0,86	0,81		0,50	0,95	0,81
3,4	0,84	0,78		0,40	0,95	0,75
3,5	0,82	0,74		0,30	0,80	0,70
3,6	0,80	0,70		0,25	0,70	0,78
3,7	0,70	0,60		0,20	0,60	0,80
3,8	0,60	0,50		0,16	0,50	0,70
3,9	0,50	0,40		0,12	0,35	0,60
4,0	0,40	0,30		0,10	0,15	0,50
4,1	0,35	0,20		0,08	0,08	0,45
4,2	0,30	0,15		0,06	0	0,30
4,3	0,25	0,12		0,04	0	0,25
4,4	0,20	0,08		0,02	0	0,18
4,5	0,15	0,02		0	0	0,10
4,6	0,10	0,01		0	0	0,08
4,7	0,08	0		0	0	0,06
4,8	0,04	0		0	0	0,04
4,9	0,01	0		0	0	0,02
5,0	0	0		0	0	0

Таблица 5

Параметры оптической системы

№ варианта	1	2	3	4	5
D, мм	70	80	90	100	120
f`, мм	90	100	150	180	200

Справочные материалы

Масса водяных паров в насыщенном воздухе, г/м³ Таблица 6

t°, град.	0	±1	±2	±3	±4	±5	±6	±7	±8	±9
-20	0,89	0,81	0,74	0,67	0,61	0,56	0,48	0,39	0,32	0,29
-10	2,15	1,98	1,81	1,66	1,52	1,40	1,28	1,18	1,08	0,98
-0	4,84	4,47	4,13	3,81	3,52	3,24	2,99	2,75	2,54	2,34
0	4,84	5,18	5,54	5,92	6,33	6,76	7,22	7,70	8,22	8,76
+10	9,33	9,94	10,57	11,25	11,96	12,71	13,50	14,31	15,22	16,14
+20	17,22	18,14	19,22	20,36	21,55	22,80	24,11	25,49	27,00	28,45
+30	30,04	31,70	33,45	35,28	37,19	39,19	41,80	44,05	46,30	48,75

Таблица 7

Коэффициенты использования излучений образцовых источников

некоторыми приемниками

Материал ФЧЭ ПИ	Температура ФЧЭ ПИ, К	Температура источника излучения
Материал ФЧЭ ПИ	Температура ФЧЭ ПИ, К	Т_АЧТ = 373К	Т_АЧТ = 500К	Т_АЧТ = 573К	Тс = 2856К
PbS	295	0,0010	0,0108	0,0253	-
	195	0,0014	0,0142	0,032	-
	77	0,0046	0,0325	0,064	-
PbSe	295	0,0176	0,0795	0,1319	-
	195	0,0459	0,1470	0,2140	-
	77	0,1227	0,2771	0,3561	-
InSb	77	0,0667	0,1776	0,2409	-
CdHgTe	77	0,3541	0,3509	0,3322	-
Ge	295	-	4,0×10^-⁵	2,3×10^-⁴	0,4324
Si	295	-	3,4×10^-⁹	6,8×10^-⁸	0,1747
CdS	295	-	1,4×10^-¹¹	1,8×10^-¹⁰	0,0791
CdSe	295	-	1,3×10^-⁹	2,2×10^-⁸	0,1055
Глаз	-	-	1×10^-¹¹	1×10^-¹¹	0,0241

Таблица 8

Коэффициент использования глазом излучения АЧТ

Температура АЧТ, К	𝜘 гл	Температура АЧТ, К	𝜘 гл
1200	6,10⋅10^-6	3500	5,57⋅10^-2
1300	2,00⋅10^-5	3750	6,82⋅10^-2
1400	5,60⋅10^-5	4000	8,10⋅10^-2
1500	1,42⋅10^-4	4250	9,24⋅10^-2
1600	2,82⋅10^-4	4500	1,03⋅10^-1
1700	4,77⋅10^-4	4750	1,11⋅10^-1
1800	6,00⋅10^-4	5000	1,19⋅10^-1
1900	1,58⋅10^-3	5250	1,25⋅10^-1
2000	2,45⋅10^-3	5500	1,30⋅10^-1
2100	3,63⋅10^-3	5750	1,34⋅10^-1
2200	5,16⋅10^-3	6000	1,36⋅10^-1
2300	7,03⋅10^-3	6500	1,37⋅10^-1
2360	8,50⋅10^-3	7000	1,35⋅10^-1
2400	9,33⋅10^-3	7500	1,31⋅10^-1
2500	1,20⋅10^-2	8000	1,26⋅10^-1
2600	1,51⋅10^-2	8500	1,21⋅10^-1
2700	1,88⋅10^-2	9000	1,14⋅10^-1
2850	2,43⋅10^-2	9500	1,07⋅10^-1
3000	3,09⋅10^-2	10000	9,88⋅10^-2
3100	3,52⋅10^-2	20000	3,06⋅10^-2
3200	4,04⋅10^-2	40000	5,37⋅10^-3
3300	4,47⋅10^-2	60000	2,64⋅10^-3
3400	4,95⋅10^-2	70000	1,33⋅10^-3

Таблица 9

Характеристики So(l) некоторых приемников

l, мкм	Ge	Si	CdS	CdSe	PbS		PbSe		InSb	Глаз
	Рабочая температура приемника									l, мкм	V(l)
	295K	295K	295K	295K	295K	195K	295K	195K	77К	l, мкм	V(l)
0,30	0,00	0,00	0,26	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,00	0,40	0,0001
0,40	0,08	0,00	0,32	0,03	0,01	0,01	0,00	0,00	0,00	0,41	0,0012
0,50	0,29	0,10	0,65	0,09	0,04	0,04	0,00	0,01	0,00	0,42	0,0040
0,60	0,38	0,28	1,00	0,21	0,08	0,10	0,01	0,05	0,00	0,43	0,0116
0,70	0,45	0,56	0,66	0,95	0,12	0,13	0,06	0,10	0,00	0,44	0,0230
0,80	0,52	0,90	0,24	0,65	0,17	0,18	0,11	0,18	0,00	0,45	0,0380
0,90	0,60	0,98	0,00	0,18	0,22	0,22	0,17	0,20	0,00	0,46	0,0600
1,00	0,66	0,35		0,07	0,27	0,26	0,20	0,22	0,09	0,47	0,0910
1,10	0,74	0,08		0,02	0,32	0,30	0,23	0,24	0,11	0,48	0,1390
1,20	0,80	0,00		0,00	0,37	0,35	0,26	0,26	0,13	0,49	0,2080
1,30	0,88				0,43	0,40	0,29	0,29	0,15	0,50	0,3230
1,40	0,95				0,49	0,45	0,32	0,31	0,16	0,51	0,5030
1,50	1,00				0,56	0,52	0,36	0,34	0,18	0,52	0,7100
1,60	0,68				0,64	0,58	0,39	0,36	0,20	0,53	0,8620
1,70	0,35				0,68	0,64	0,43	0,39	0,21	0,54	0,9540
1,80	0,15				0,76	0,70	0,46	0,41	0,23	0,55	0,9950
1,90	0,03				0,83	0,76	0,50	0,43	0,25	0,56	0,9950
2,00	0,00				0,89	0,82	0,54	0,46	0,27	0,57	0,9520
2,10					0,95	0,87	0,57	0,48	0,29	0,58	0,8700
2,20					0,99	0,91	0,61	0,51	0,31	0,59	0,7570
2,30					1,00	0,96	0,64	0,53	0,33	0,60	0,6310
2,40					0,98	0,98	0,68	0,55	0,35	0,61	0,5030
2,50					0,90	1,00	0,72	0,58	0,37	0,62	0,3810
2,60					0,80	0,99	0,75	0,60	0,39	0,63	0,2650
2,70					0,71	0,94	0,79	0,63	0,41	0,64	0,1750
2,80					0,59	0,83	0,81	0,65	0,44	0,65	0,1070
2,90					0,48	0,70	0,87	0,67	0,46	0,66	0,0610
3,00					0,35	0,53	0,91	0,70	0,48	0,67	0,0320
3,10					0,24	0,36	0,94	0,72	0,50	0,68	0,0170
3,20					0,11	0,21	0,98	0,75	0,53	0,69	0,0082
3,30					0,04	0,10	0,99	0,77	0,55	0,70	0,0041
3,40					0,01	0,03	0,99	0,79	0,57	0,71	0,0021
3,50					0,00	0,01	0,98	0,82	0,60	0,72	0,0010
3,60						0,00	0,95	0,84	0,62	0,73	0,0005
3,70							0,92	0,86	0,65	0,74	0,0003
3,80							0,86	0,89	0,67	0,75	0,0002
3,90							0,78	0,91	0,70	0,76	0,0001
4,00							0,70	0,94	0,73	0,77	0,0000
4,10							0,60	0,96	0,75
4,20							0,50	0,99	0,78
4,30							0,39	1,00	0,80
4,40							0,27	0,99	0,83
4,50							0,17	0,98	0,86
4,60							0,09	0,96	0,89
4,70							0,03	0,80	0,92
4,80							0,01	0,71	0,94
4,90							0,00	0,60	0,97
5,00								0,49	0,99
5,10								0,37	0,99
5,20								0,27	0,87
5,30								0,17	0,60