2014-02-24
1745
Предмет, содержание и задачи курса
В системе подготовки специалистов специальностей ИИТ и ИСТ по предмету «Основы оптико-электронных приборов и систем» важное место занимают вопросы, связанные с проектированием оптических систем и оптико-электронных приборов (ОЭП). Предметом изучения в данной дисциплине являются следующие вопросы: основные источники оптического излучения; основные элементы оптических систем; типы приемников излучения и области их применения; структура и принципы работы оптико-электронных приборов и систем на примере пирометрических датчиков очага возгорания.
Основная задача курса – дать базовые знания по оптико-электронным приборам и системам, их основным составным частям, методам и принципам их проектирования, расчёта и использования.
Целями преподавания дисциплины «Основы оптико-электронных приборов и систем» являются:
- овладение теоретическими и практическими основами проектирования оптико-электронных приборов и систем;
- освоение принципов выбора приемников излучения и расчета энергетических характеристик ОЭП.
Задачами изучения дисциплины являются:
- формирование необходимого объема знаний о специфике объектов и методов исследования с помощью оптических приборов;
- ознакомление студентов с принципами построения и функционирования ОЭП;
- обучение студентов грамотному определению требуемых характеристик ОЭП;
- формирование навыков наладки и эксплуатации оптических и оптико-электронных приборов для решения поставленных задач.
1.2.1. Оптико-электронные приборы: определения, обобщенные схемы и методы работы
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.).
Структура многих современных ОЭП достаточно сложна. Она включает большое число различных по своей физической природе и принципу действия звеньев – аналоговых и цифровых преобразователей электрических сигналов, микропроцессоров, механических и электромагнитных узлов и др. Поэтому ОЭП часто называют оптико-электронными системами (ОЭС).
Одна из возможных обобщенных схем работы ОЭП представлена на рисунке 1. Источник излучения естественного или искусственного происхождения создает материальный носитель полезной информации - поток излучения.
Рисунок 1 – Обобщенная схема работы ОЭП
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. Выходной блок формирует сигнал, по своим параметрам удовлетворяющий требованиям получателя информации.
Помимо исследуемого объекта («полезный» излучатель) на рисунке 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.п. Иногда в состав ОЭП не входят некоторые из перечисленных звеньев. Это определяется, как правило, методом работы прибора.
а – активный; б – пассивный; в – полуактивный
Рисунок 2 – Методы работы ОЭП
При активном методе работы (рисунок 2а) исследуемый или наблюдаемый объект 2 облучается источником электромагнитных волн 1, параметрами и характеристиками которого может управлять.
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 потребляет большую мощность.
При пассивном методе работы (рисунок 2б) 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. (рисунок 2в). 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.
