Инфракрасные системы «смотрящего» типа

РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Получение достаточного для функционирования ИКС потока излучения и обеспече­ние необходимого пространственного и температурного разрешения, т. е. достижение необходимого качества изображения пространства объектов, тесно связаны между со­бой. Как уже отмечалось, при выборе D и D/f необходимо учитывать требования не
только к пространственному, но и к энергетическому (температурному) разрешению ИКС. В гл. 4 описывается связь этих видов разрешения, определяемая эквивалентной шуму разностью температур ДГП (пороговое энергетическое разрешение) и минималь­ной разрешаемой разностью температур ДГр (температурно-частотное разрешение). Рассмотрим, как на начальном этапе проектирования ИКС можно определить важней­шие геометрооптйческие параметры оптической системы и как они связаны с парамет­рами и характеристиками других звеньев ИКС и системы в целом.

Методика расчета и выбора важнейшего параметра оптической системы - площади Лвх (или диаметра О) входного зрачка объектива, как правило, базируется на обобщен­ной методике энергетического расчета ОЭС [61, 151]. Составив основное энергетиче­ское уравнение, определяющее связь полезного сигнала, шумов и помех с показателем качества работы ОЭС, можно решить его относительно площади или диаметра входно­го зрачка объектива.

Простейший анализ формулы для АТП показывает, что при выбранном МПИ можно уменьшить Д7п, увеличив относительное отверстие О//'. Так, для достижения ДГ,, по­рядка 0,06...0,08 К ИКС с неохлаждаемым МПИ типа микроболометра должны иметь относительные отверстия О//’ порядка 1:0,8... 1:1 при формате МПИ 320x240 пикселов размером порядка 50 мкм. При этом частота Найквиста близка к 10 лин/мм. Однако, на практике этого часто трудно достичь из-за сложностей коррекции аберраций при уве­личении £> и О//’, усложнения конструкции и удорожания объектива, а также из-за воз­можного при этом увеличения числа компонентов объектива и соответствующего ухудшения его пропускания. Уменьшение фокусного расстояния /' также ограничено, так как, например, при фиксированном размере чувствительного элемента приемника это ведет к ухудшению углового разрешения ИКС.

Если задан размер элемента обнаруживаемого или наблюдаемого объекта, который ИКС должна разрешать для решения задачи, поставленной перед системой (обнаруже­ние, распознавание, классификация, идентификация), то в угловой мере требуемое гео­метрическое разрешение ДсОр можно определить как (см. §4.3)

Люр = 2К! Ш >

Где йкр - критический размер объекта; Ы - число разрешаемых элементов; / - дальность до объекта.

Как известно, обусловленный дифракцией предел углового разрешения объектива с круглым входным зрачком диаметром £> можно вычислить по формуле

Дсод =2,44ХЮ,

Где X - длина волны излучения.

Учитывая на начальном этапе проектирования ухудшение разрешения в &аб раз из-за аберраций, как правило, присущих реальным оптическим системам, можно записать для углового размера кружка рассеяния объектива

А® об =2>44 kJ, ID.

Если считать, что этой величине должен соответствовать угловой размер элемента чувствительного слоя приемника излучения, определяющий пространственное (геомет­рооптическое) разрешение ИКС,

Аюз=/Э//',

Где d3 - размер элемента приемника; /' - фокусное расстояние объектива, то можно приравнять друг другу Дсор, Дсооб и Дсоэ:

2hjNl = 2№J. ID = lJf. (6.1)

Ставя условие Дсор > Дсо0б, из (6.1) легко получить выражение

D > 1,22к&фкЫ I / Лкр,

Определяющее диаметр входного зрачка, исходя из заданных пространственного раз­решения и дальности до объекта, а также выбранного спектрального рабочего диапазо­на (значение А, может выбираться по верхней границе этого диапазона).

Если выбран или задан размер элемента чувствительного слоя приемника d3, из (6.1) легко найти требуемое значение относительного отверстия объектива D/f:

D/f > 2,44 кабХ / d0.

Выбор углового поля объектива 2оо связан с необходимостью соблюдения инвари­анта Штраубеля или для плоских пучков лучей инварианта Лагранжа-Гельмгольца, который для оптической системы, находящейся в воздухе, можно записать как [61]

Dsinco = /nHsin а'пи, (6.2)

Где со - половина углового поля объектива; /пи - размер всего чувствительного слоя при­емника; с'пи - апертурный угол приемника, который в случае расположения приемника в задней фокальной плоскости объектива равен заднему апертурному углу объектива а', причем часто принимают sin о'пи « (£)/2)//'. Из (6.2) следует, что sin со = (lm/D)sin с'™, или для сравнительно небольших угловых полей 2со объективов

2со = (21ПИ Ю)sin а'пи - (6.3)

Так как sincr'™ < 1, то угловое поле объектива не может превышать 2со = 2/пи ID.

Часто при предварительном выборе или расчете 2со по формуле (6.3) значение определяется как предельно допустимое значение угла падения лучей на чувствитель­ный слой приемника излучения.

Поскольку от Дсор зависит предельная пространственная частота Утр, которую должна разрешать ИКС для решения поставленной задачи, т. е. fTp = N1 /(2/гкр), выражение для

ДГр на этой частоте можно представить в виде функции отношения сигнал-шум и ДГП, а затем решить его относительно интересующих нас параметров оптической системы В и В//’. При этом следует учитывать, что задаваемые или паспортные значения АТР опре­деляются по некоторому стандартному тест-объекту, например по семиполосной мире, у которой отношение ширины полос к их высоте равно 1:7 (см. §4.2). Иначе говоря, необходим пересчет от условий калибровки ИКС к условиям ее эксплуатации.

В заключение еще раз отметим, что выбор основных габаритных размеров объек­тива ИКС должен быть тщательно увязан с требованиями к температурному разреше­нию ДТп системы, спектральному диапазону ее работы, особенностями применяемых ФПУ (приемников излучения и схем считывания сигналов с элементов МПИ). На­пример, изменение углового поля ИКС влечет за собой изменение фокусного рас­стояния объектива/', а вместе с ним и диафрагменного числа К= /'/В. Следовательно, меняется и ДГ„ (см. §5.4). При увеличении К ухудшение температурного разрешения можно компенсировать, увеличив время накопления зарядов, снимаемых с элемен­тов МПИ. Однако при этом уменьшается частота кадров (частота съема информации о наблюдаемой сцене), переполняются ячейки схемы считывания и, как следствие, ухудшается пространственное разрешение ИКС. Это особенно вероятно при исполь­зовании приемников с большой квантовой эффективностью или при работе в том спектральном диапазоне, где велик поток излучения (поток фотонов) от наблюдаемых объектов и фонов.