(Спец )Задание на самостоятельную проработку / Самостоятельная проработка. Тема 3.5. Типовые оптико-электронные приборы
.doc
Тема 3.5. Типовые оптико-электронные приборы
3.5.1. Лазерные дальномеры
Лазерный дальномер служит для измерения расстояний.
Структурная схема дальномера содержит лазер, приемо-передающую оптическую систему, приемник оптического излучения, усилитель, электронную схему обработки сигнала и регистрирующее устройство (рис. 15).
Излучение лазера через передающую оптическую систему поступает на объект, расстояние до которого надо измерить. Отраженное излучение попадает через приемную оптическую систему на приемник оптического излучения, где преобразуется в электрический сигнал. Электронная схема обработки сравнивает параметры излученного и отраженного сигналов и по ним определяет расстояние до объекта.
Рис. 15:
Л – лазер; ППОС – приемо-передающая оптическая система; ПОИ – приемник оптического излучения; У – усилитель; ЭСОС – электронная схема обработки сигнала;
РУ – регистрирующее устройство
Лазерный дальномер используется в геодезии, на транспорте и военном деле.
3.5.2. Приборы ночного видения
Прибор ночного видения (ПНВ) предназначен для наблюдения местности в очных условиях. Структурная схема ПНВ включает объектив, электронно-оптический преобразователь (ЭОП), окуляр и блок питания (рис. 16).
Рис. 16:
7 – объектив; 8 – ЭОП; 9 – окуляр
Объектив строит инфракрасное изображение на фотокатоде ЭОП. ЭОП преобразует падающее излучение в электрический сигнал, усиливает его, а затем преобразует в видимое изображение достаточной яркости. Это изображение рассматривается через окуляр. Для работы современных ПНВ достаточно света Луны или звезд.
3.5.3. Тепловизоры
Типовая структурная схема тепловизионного прибора (ТВП) представлена на рис. 17.
ТВП состоит из трех основных узлов: оптического канала, фотоприемного устройства (ФПУ), блока электронной обработки, - а также системы синхронизации. Кроме того, в состав ТВП может входить система отображения информации.
Рис. 17.
Оптический канал (рис. 18) включает в себя входную оптику, объектив ОБ, блок сканирования БС и элементы, обеспечивающие функционирование канала: электродвигатель (привод) ЭД, датчик углов (углового положения) ДУ, обеспечивающий синхронную работу блока электроники электропривода, оптический коммутатор ОК, формирующий опорный сигнал, и элементы управления входной оптикой (системы перефокусировки, смены увеличения и коррекции терморасстраиваемости). Блок сканирования и объектив образуют систему сканирования, а система сканирования с приводом и датчиком – развертывающее устройство (РУ). Кроме того, в состав оптического канала входит вторичный источник питания (ВИП).
Рис. 18. Оптический канал ТВП:
ДУ – датчик углов; ЭД – электродвигатель; БС – блок сканирования;
ОК – оптический коммутатор; ОБ – объектив;
ВИП – вторичный источник питания
ФПУ (рис. 19) состоит из трех компонентов: приемника оптического излучения (ПОИ), микрокриогенной системы (МКС), обеспечивающей рабочий температурный режим фоточувствительного слоя ПОИ, и многоканального (в соответствии с числом фоточувствительных элементов ПОИ) предварительного усилителя, предназначенного для согласования ПОИ с блоком электронной обработки.
Рис. 19.
Блок электронной обработки сигнала (рис. 20) предназначен для преобразования многоканальной (по числу фоточувствительных элементов ПОИ) сигнальной системы в одноканальную. Блок состоит из двух частей: узла аналоговой обработки и узла цифровой обработки видеосигнала.
Рис. 20. Блок электронной обработки ТВП:
ФП – фотоприемник ФПУ; УП1...УПМ – предварительные усилители ФПУ; УЛ1...УЛМ – линейные усилители; МХ – коммутатор (мультиплексор);
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство;
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь; ВУ – видеоусилитель
Задачей узла аналоговой обработки является выполнение следующих операций: формирование заданной амплитудно-частотной характеристики, формирование заданного динамического диапазона сигнала, вычитание фонового сигнала, восстановление постоянной составляющей сигнала и первичное выравнивание неравномерности сигналов, обусловленной отклонением параметров различных фоточувствительных элементов (ФЧЭ) ПОИ друг от друга. Аналоговая обработка выполняется линейными усилителями ЛУ, число которых равно числу ФЧЭ. Выходы каждого из усилителей соединены с входными цепями коммутатора МХ. Сигнал от МХ поступает на вход узла цифровой обработки.
Цифровая обработка выполняется тремя основными элементами электроники: АЦП, ОЗУ и ЦАП. Основная задача узла цифровой обработки заключается в приведении в соответствие темпа и порядка формирования кадра, формируемого системой сканирования, с темпом и порядком, необходимым для нормальной работы монитора. Синхрогенератор, входящий в состав узла и получающий синхросигналы от РУ, обеспечивает синхронную работу элементов цифровой и аналоговой обработки, а также необходимую равномерность вращения электропривода БС.
3.5.4. Автоматические видеоинформационные системы
Автоматические видеоинформационные системы (АВС) – это телевизионные системы (ТС), предназначенные для решения самых разнообразных задач, так или иначе связанных с наблюдением за объектами. Общей принципиальной особенностью АВС в отличиеот других видов ТС является их способность функционировать без участия человека-оператора, т.е. полностью в автоматическом режиме на основе заранее определённых (на этапе разработки системы или на этапе её обучения) решающих правил. В таких системах визуальное представление информации на экране не является обязательным, хотя оно и может использоваться как дополнительная функция.
Простейшая архитектура АВС представлена на рис. 23. В ее состав входят телевизионный датчик, устройство предварительной обработки, блок сопряжения и цифровое вычислительное устройство.
Рис. 23:
ТД – телевизионный датчик; УПО – устройство предварительной обработки;
БС – блок сопряжения; ЦВУ – цифровое вычислительное устройство;
ТПД – требование прямого доступа; ППД – предоставление прямого доступа
Сигнал от телевизионного датчика (ТД) поступает в устройство предварительной обработки (УПО). Здесь осуществляется «привязка» уровня видеосигнала, его необходимое усиление с целью оптимального согласования с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и преобразование в АЦП видеоимпульсов в последовательность цифровых двоичных кодов. В режиме прямого доступа к оперативной памяти ЦВУ процессор ЦВУ как бы временно отключается, а функции по вводу данных в ЦВУ выполняет специальный блок сопряжения (БС). Перед началом цикла ввода БС вырабатывает сигнал «требование прямого доступа» (ТПД). По этому сигналу ЦВУ заканчивает очередное обращение к памяти и посылает в БС ответный сигнал «предоставление прямого доступа» (ПДП). Сразу после этого БС начинает передавать данные, поступающие с УПО, непосредственно в оперативную память ЦВУ. После завершения ввода БС снимает состояние прямого доступа и вновь передаёт управление оперативной памятью процессору ЦВУ. Переданные в оперативную память ЦВУ данные подвергаются дальнейшей обработке в соответствии с запрограммированным алгоритмом.
АВС применяются в качестве систем астроориентации, оптико-электронных угломеров, оптико-электронных систем контроля технологических процессов и других.
3.5.7. Приборы экологического мониторинга
Инфракрасный газоанализатор предназначен для измерения содержания двуокиси углерода в атмосфере. Измерения производятся в непрерывном режиме. Схема прибора представлена на рис. 24.
Структурная схема газоанализатора содержит источник излучения, кюветы с анализируемым воздухом и воздухом без двуокиси углерода, оптическую систему, приемник оптического излучения, усилитель, детектор, электронную схему обработки сигнала и регистрирующее устройство.
Рис. 24:
1 – источник излучения; 2, 3 – кюветы с анализируемым воздухом
и воздухом без двуокиси углерода; 4 – обтюратор; 5 – интерференционный светофильтр; 6 – оптический концентратор; 7 – приемник оптического излучения; 8 – усилитель;
9 – синхронный детектор; 10 – электронная схема обработки сигнала;
11 – регистрирующее устройство; 12 – фотодатчик
ИК излучение от источника излучения 1, представляющего собой нихромовую проволоку, нагреваемую электрическим током до температуры около 800 0С, поступает в две расположенные рядом и параллельно друг другу кюветы 2 и 3. Через кювету 2 прокачивается анализируемый газ, а кювета 3 содержит воздух, свободный от двуокиси углерода, и образует канал сравнения. Далее пучки оптического излучения подвергаются модуляции в противофазе друг относительно друга при помощи обтюратора 4, представляющего собой вращающийся диск с прорезями. Затем оптическое излучение проходит через интерференционный светофильтр 5, имеющий максимальное пропускание m = 80% на m = 4,2 мкм при ширине полосы на уровне 0,5 от максимального значения 0,5 = 0,1 мкм. В эту полосу попадает линия поглощения двуокиси углерода. Далее оба модулированных пучка при помощи оптического концентратора 6 направляются на пироэлектрический фотоприемник 7. В фотоприемнике осуществляется преобразование потока излучения в пропорциональный ему по величине переменный электрический сигнал и происходит его предварительное усиление. Затем сигнал усиливается в основном усилителе 8 и разделяется на составляющие, соответствующие потокам излучения через кюветы 2 и 3, в синхронном детекторе 9. Работа детектора синхронизируется с вращением обтюратора при помощи фотодатчика 12. Далее сигналы поступают в блок обработки 10, где они вычитаются и результирующий сигнал направляется в регистрирующее устройство 11, на котором отображается объемная доля двуокиси углерода в процентах.