5.4. Оптические локационные системы

Оптические информационные системы пред­назначены для получения информации об объектах, на основании анализа их оптических параметров в диапазоне видимых, ультрафиолетовых (УФ), инфракрасных (ИК) и рентгеновских волн. Такими параметрами объектов являются их спектральные и фотометрические характеристики, зависящие от строения и рельефа поверхности объекта, его температуры и агрегатного состояния, а также от длины волны и угла падения излучения. Оптическое излучение является, пожалуй, самым перспективным носителем информации, что позволяет использоватьоптические локационные системы (ОЛС) в самых разнообразных задачах навигации, измерения и контроля, дефектоскопии и др. Наиболее широко ОЛС применяются в машино- и приборостроении, металлургии и химической промышленности, средствах связи, охранных системах и устройствах видеонаблюдения. ОЛС является также важнейшим элемен­том информационного обеспечения современных роботов. Исходя из перечня решаемых задач, все ОЛС можно разделить на два больших класса: системы локации и системы зрения.

Системы первого класса используются, главным образом, в задачах навигации и измерения, второго в задачах, связанных с получением и анализом образа объекта. ОЛС обеспечивают высокую точность измерения размеров объектов, расстояний и скоростей (погрешность составляет  0,01 ... 0,1 %). Уровень выходного сигнала различных ОЛС лежит в пределах 10^-3 … 10⁵ Вт, что позволяет применять эти системы в средствах ближней и дальней локации.

ОЛС классифицируются по трем основным признакам:

1. по принципу локации: активные и пассивные.

2. по типу первичного преобразователя: вакуумные, оптронные и лазерные.

3. по взаимному расположению объекта и его изобра­же­ния (рис. 5.59): каллиматорные - объект и его изображение находятся в бесконечности (рис. 5.59а), телескопические - в бесконечности расположен только объект (рис. 5.59б), проекционные - в бесконечности находится только изображение (рис. 5.59 в) и фокусирующие - объект и его изображение расположены на конечном расстоянии (рис. 5.59г).

Символами F и F’ обозначены переднее и заднее фокусные расстояния ОЛС. Фокусное расстояние - это важ­нейшая характеристика ОЛС, определяющая ее угол зрения и то, насколько крупным будет изображение объекта. (Так, для системы видеонаблюдения, чем больше ее фокусное расстояние, тем меньше угол зрения камеры и тем крупнее изображение объекта на мониторе).

Первичные преобразователи ОЛС, в отличие от АЛС необратимы и поэтому их принято разделять на источники и приемники излучения.

5.4.1. Теоретические основы оптики

В соответствии с открытой в 1864 году Д. Максвеллом электромагнитной теорией света - оптические явления создаются электромагнитными поперечными волнами, представляющими собой распространяющееся в пространстве элек­тро­магнит­ное поле. Скорость распространения оптического излучения в вакууме c₀ составляет 299792,5 м/с.

Длины волн соответствующие различным диапазонам электромагнитного излучения приведены в табл. 5.11.

Таблица 5.11. Диапазоны электромагнитного излучения

Длина волны , м	Вид волн	Источник
104 ... 10	Радио (ДВ, СВ, КВ)	Генераторы
10 ... 1	Радио (УКВ), телевидение (ОВЧ)	Ламповые генераторы
1 ... 10-1	Телевидение (УВЧ)
10-1 … 10-3	Микроволны	Магнетроны (клистроны)
10-4 ... 10-6	ИК свет	Колебания кристаллической решетки объекта
8 10-7 ... 4 10-7	Видимый свет
10-7 ... 10-8	УФ свет	Колебания атомов
10-9 ... 10-11	Рентгеновские лучи	Электронные переходы
10-12 (0,003 нм)	-излучение	Колебания ядер

Большинство ОЛС, используемых в робототехнике и мехатронике, а также системы зрения функционируют в диапазоне видимых волн (рис. 5.60). Волнывидимого диапазона субъективно описываются двумя переменными - яркостью (амплитудой сигнала) и цветом (длиной волны). Информация о яркости применяется во всех ОЛС, цвете - только в системах зрения. На рис. 5.60 буквами Ф, С, З, Ж, О, К обозначены поддиапазоны фиоле­тового, синего, зеленого, желтого, оранжевого и красного спектров излучения.

Оптическое излучение создается благодаря колебаниям большого числа элементарных осцилляторов. Излучения с дли­нами волн 380 … 750 нм образуют видимый свет. Источники света принято разделять на когерентные и неко­ге­рен­тные.

В некогерентных источниках света (естественных, а также ва­куумных и оптронных) различные атомы активного вещества излучают волны, фазы и направления полей которых независимы и случайным образом меняются во времени.

Когерентные источники (например, лазер) излучают мо­нохроматические волны. Световая монохроматическая вол­на создается взаимно ортогональными и синусоидально изменя­ющимися во времени и пространстве электрическим и магнитным полями, имеющими одинаковые частоты и перпендикулярными направлению ее распространения.

Когерентность излучения оценивается коэффициентом монохроматичности K_м = f/f. Для естественных источников света K_м  10^-6, для лазера K_м = 10^-16.

Преобразователи ОЛС и систем технического зрения основаны на использовании принциповгеометрической оптики. Данные принципы, сформулированные в XVIII веке, постулируют прямолинейное распространение волн. Это справедливо, если пренебречь дифракцион­ными эффектами, т.е. полагая, что длина волны излучения  << D_хар. Под D_хар понимается наименьший размер препятствия; следовательно считается, что волна отражается от препятствия.

Основу геометрической оптики составляют:

• закон взаимной независимости световых лучей;

• принцип наименьшего времени (известный как принцип П. Фер­ма).

Согласно этим положениям, световые лучи распространяются по прямым линиям и не взаимодействуют друг с другом. В качестве частных случаев принципа П. Ферма могут рассматриваться законы отражения и преломления света. Известно, что если луч света падает на границу раздела двух прозрачных сред с разными коэффициентами преломления n₁ и n₂, он отклоняется на угол, зависящий от угла падения. Все лучи, параллельные оптической оси сферической поверхности раздела преломляются так, что сходятся в фокусе (рис. 5.61).

Скорость распространенияс и длина световых волн в среде  определяются зависимостями:

где n - показатель пре­ломления среды (n > 1),  - частота излучения. Следовательно, скорость света в вакууме больше, чем в среде.

Показатели преломления и коэффициенты отражения k_отр некоторых сред приведены в табл. 5.12.

Таблица 5.12. Основные оптические параметры некоторых сред

Среда	n	kотр
Воздух	1,0003
Вода (дистиллят)	1,333
Кварцевое стекло	1,458
Полиметилметакрилат (органическое стекло)	1,49	0,04
Непросветленное стекло	1,5 … 2,0	0,05 … 0,1
Стекло (просветленное)	1,5 … 1,7	0,006…0,01

Для геометрической оптики справедливы те же законы, что и для геометрической акустики, что позволяет применить принципы проектирования АЛС к ОЛС. В частности, оптические излучения также характеризуются направленностью, а информативный параметр накладывается на несущую световую волну посредством модуляции. Свойства направленно­сти формируются оптической фокусирующей системой, а из всех способов модуляции обычно используется импуль­сная.

Вообще говоря, линейная оптическая модель эксплуатируется преимущественно в задачах навигации, где длина волны излученияd_хар << . Здесь d_хар - наибольший размер неоднородности среды распространения. При уменьшении  в излучении проявляются интерференционные и дифракционные эффекты, широко используемые в задачах дефектоскопии. Явления интерференции и дифракции открытые в начале XIX века О. Френелем и Т. Юнгом соответственно, а также обнаруженная Э. Малюсом поляризация, породили волновую оптику. Проведенные А. Эйнш­тейном в начале XX века исследования фотоэффекта вынудили ввести в рассмотрение дис­кретность и представить свет как пучок световых квантов - фотонов. Подобные явления рассматри­ваются в рамках кван­товой оптики. Все три оптические модели (Ге­ометриче­ская, вол­­новая и квантовая) являются предель­ными случаями друг друга.

Световое излучение рассматривается в двух разделах физики: радио- и фотометрии. В первом случае, для его оценки применяются энергетические характеристики, во втором - визуальные. Визуальные параметры служат для описания световых процессов протекающих в диапазоне видимых волн и воспринимаемых глазом. Энергетические же используются, как правило, для тех излучений, которые лежат за пределами видимого спектра. Такое разделение вызвано тем, что действие видимого света на глаз зависит не только от физических параметров света - энергии излучения, частоты, спектраль­ного состава, но и спектральной чувствительности S_c() глаза (рис. 5.62). Сплошной линией показана кривая средней спектральной чувствительности глаза, пунктир - спектр солнечного света. Максимум S_c() достига­ется для  = 5,0 10^-7 м … 5,55 10^-7 м (первое значение справедливо для черно-белого, так называемого скотопического зрения, второе - для цветного, или фотопического зрения).

Для перевода фотометрических характеристик в энергетические существует коэффи­циент видности k_V, показывающий как меняется световое ощущение по всему видимому диапазону. Так как глаз имеет на­иболь­шую видность (световое ощущение) V_max к излучению с длиной волны  = 0,555 мкм, то

k_V = V_ /V_max.

В пределах диапазона 380 … 770 нм - k_V меняется в 10⁵ раз.

Таким образом, световое излучение описывается в двух системах: энергетической и визуальной. Различают следующие основные световые ха­­рак­те­рис­ти­ки:

• энергия излучения Q (измеряется в Дж для эне­ргети­чес­ких расчетов, в Лм с - для световых);

• поток Ф = dQ/dt (Вт и Лм, соответственно);

• сила света (излучения) I = dФ/d (Вт/ср - для энергетических расчетов, Кд - от англ. «свеча» - для световых);

• освещенность  = dФ/dA (Вт/м², лк)

• яркость (интенсивность) L = dI/dA_n (Вт/ср м² и Кд/м² или НИТ (нт)),

где  - телесный угол; dA_n - площадь ор­то­го­наль­ной проекции светящегося эле­мен­та поверхности dA.

Применительно к световому потоку: 1 Вт излучения с длиной волны  = 5,55 10^-7 м соответствует 683 Лм.

Важнейшей характеристикой в фотометрии является яркость. Для определения фотометрической яркости по известной величине яркости энергетической служат таблицы видности [ ].

Например, яркость потока гелий-аргонового лазера с  = 0,514 мкм и работающего в непрерывном режиме составляет  10¹³ Вт/ср м². По таблице видности фотометрическая яркость L составит  4 10¹⁵ нт, что приблизительно в 2,5 10⁶ раз больше, чем яркость солнца.

Способность глаза реагировать на очень большой диапазон яркостей L получил название зрительной адаптации. В среднем для человека L составляет 2 10^-6 … 2 10⁵ нт. Свойство глаза восстанавливать световую чувствительность называется све­­­товой/тем­но­вой адаптацией. Она соответствует 20 мин - для световой адаптации и  60 мин - для темновой. Сравнительные параметры некоторых типовых источников света представлены в табл. 5.13.

Таблица 5.13. Сравнительные характеристики различных источников света

Источник света	Яркость источника, Кд/м2	Освещен­ность, лк
Фотографическая вспышка	7 1010
Лампа накаливания	6 106
Дневной свет		104
Полная луна	2 103	10-1
Звездное небо		10-3
Минимальная видимая яркость	10-5

Порог чувствительности глаза характеризуется наименьшим количеством световой энергии, вызывающей световое раздражение. Величина порогового значения светового потока Ф_min зависит от диаметра зрачка и при диаметре 8 мм составляет  2 10^-14 Лм.