Таблица 28-1

Величины и единицы, используемые в ИКТ

Сигнал, возникающий в процессе теплового излучения объектов, является некогерентным и занимает широкий диапазон электромагнитного спектра. Обычные приемники ИКИ, преобразуя электромагнитное излучение в электрический сигнал, из-за своей инерционности даже при облучении их монохроматическим излучением не воспроизводят на выходе сигнал, изменяющийся с частотой этого излучения, а создают выходной сигнал, величина которого пропорциональна (в некоторых пределах) мощности поступающего на вход приемника ИКИ. Таким образом, в радиотехническом смысле приемник ИКИ является одновременно детектором, и поэтому в приборах ИКТ усиление на частоте несущей отсутствует.

Применение инфракрасной техники

Приборы инфракрасной техники - инфракрасные приборы (ИКП) находят широкое применение в метеорологии, геологии, для контроля производственных процессов, для связи, а также в военном деле. По своим конструктивным особенностям ИКП могут быть разделены на следующие группы:

1. Измерители ИКИ или ИК-радио-метры;

2. Обзорные ИКП нли теплопеленга-торы;

3. Инфракрасные приборы, предназначенные для получения тепловых карт объектов (ТКО) или местности (ТКМ);

4. Следящие ИК-системы или ИК-сис-темы самонаведения;

5. Электронно-оптические приборы наблюдения (ЭОПН);

6. Системы для связи на ИК-лучах;

7. Дальномеры, использующие ИК-излу-чения.

Рис. 28-1. Схема измерителя ИКИ.

Измерители ИКИ (рис. 28-1). Назначение таких приборов - измерение абсолютного значения мощности излучения объек-

тов. В комплект прибора входят: оптическая система У, устройство, модулирующее лучистый поток 2, приемник излучения 4, источник эталонного излучения 6, электронная схема для усиления сигналов 5 и регистрирующее устройство. Для работы измерителя ИКИ в различных диапазонах электромагнитного спектра обычно используют интерференционные фильтры 3.

Рис. 28-2. Структурная схема обзорного ИКП.

Оптическая система (ОС) собирает ИКИ объектов и фокусирует их на приемнике излучения (ПИ); последний преобразует ИКИ в электрический сигнал, величина которого пропорциональна мощности ИКИ. Поскольку на приемник падает модулированный лучистый поток, то сигнал, снимаемый с ПИ, также является модулированным. Заметим, что из-за инерционности приемника форма сигнала на выходе ПИ может отличаться от формы сигнала модулированного излучения. Применение модуляции лучистого потока позволяет усиливать сигнал узкополосным усилителем, вследствие чего увеличивается пороговая чувствительность измерителя.

Источник эталонного излучения необходим для непрерывной градуировки измерителя, т. е. для устранения нелинейных искажений схемы и учета непостоянства параметров схемы в процессе измерения.

Большинство измерителей работают по компенсационному принципу, в соответствии с которым на ПИ поочередно поступают излучения от объекта и излучения от эталонного источника. Если эти излучения не одинаковы, то на выходе измерителя имеется определенный сигнал. Изменяя мощность эталонных излучений, поступающих на ПИ, добиваются нулевого сигнала на выходе схемы, что свидетельствует о равенстве измеряемого потока и потока от эталонного источника.

Обзорные ИКП (рис. 28-2). Приборы этого типа применяются для обнаружения объектов, обладающих ИК-излучением, и установления угловых координат этих объектов. Обзорные ИКП состоят из оптической системы 1, приемника излучения 2, блоков усиления сигналов 3, индикатора или запоминающего устройства 4 и системы сканирования, т. е. системы перемещения угла зрения в пространстве, 5.

Перемещение угла зрения в пространстве синхронизировано с перемещением электронного пучка в индикаторе, вследствие чего при появлении излучающего объекта в

каком-либо участке угла обзора в соответствующей точке индикатора появится ярко-стиая отметка.

При создании обзорных систем не ставится задача воспроизведения на экране индикатора формы наблюдаемых объектов или измерения их излучения, необходимо лишь обнаружить объекты и определить их координаты на максимальной дальности, при. большом угле обзора за минимальное время обзора.

Для повышения точности определения угловых координат объектов необходимо уменьшать пространственный угол зрения прибора (отношение площади приемника излучения к квадрату фокусного расстояния ОС), увеличивать ширину полосы пропускания усилителя и повышать точность визуального отсчета положения отметки на экране индикатора. Однако увеличение ширины полосы пропускания усилителя снижает пороговую чувствительность прибора и, следовательно, снижает дальность действия ИКП. Это противоречие также сохраняется при стремлении обеспечить минимальное время обзора (для чего требуется усилитель с широкой полосой, так как импульсы от объектов становятся короче) и большую дальность действия ИКП.

Выбор параметров обзорного ИК-уст-ройства производится с учетом различных предъявляемых к нему требований, однако основным требованием считается обеспечение заданной дальности действия прибора прн заданной надежности и точности обнаружения объектов.

Приборы, предназначенные для получения тепловых карт. Основная задача таких приборов - получить достаточно четкое изображение излучающих объектов. Применительно к геологическим целям - это создание тепловой карты местности, применительно к метеорологии - получение тепловой карты атмосферы, в промышленности - фиксация теплового режима работы различного оборудования, в частности теплового режима работы электронных схем.

Рассматриваемые приборы могут работать либо с механической или электронной разверткой изображения, в этом случае их блок-схема подобна блок-схеме обзорных устройств, либо без всякой развертки - по схеме эвапорографа.

Для получения изображения хорошего качества в системах с разверткой необходимо добиваться высокой стабильности параметров развертки и малого значения угла зрения прибора. ИКП, создающие ТКМ, должны обладать высокой пороговой чувствительностью, чтобы можно было различать малые тепловые контрасты. Таким образом, и в приборах этого типа следует оптимально сочетать противоречивые требования высокой разрешающей способности и высокой пороговой чувствительности устройства.

В приборах типа эвапорографа тепловое изображение воздействует на масляную пленку, нанесенную на тонкую мембрану, вызывая неравномерное испарение пленки. При освещении такой пленки видимым излучением благодаря неоднородной толщине пленки происходит спектральное разложение отраженного белого света, вследствие чего образуется видимое цветное изображение.

Эвапорограф позволяет различать участки объекта, отличающиеся по температуре на несколько десятых градуса, для чего требуется время от десятка до долей секунды.

Следящие ИК-системы. В настоящее время существует большое число следящих ИК-систем, особенно в военной технике. Их назначение - автоматически следить за изменением положения теплоизлучающих объектов путем перемещения в пространстве оптической оси и, следовательно, поля зрения прибора.

Любая следящая система (рис. 28-3) состоит из оптической системы, анализирующего устройства, приемника излучения, блока усиления и механизма управления следящей системой. Оптическая система создает изображение теплоизлучающего объекта в плоскости анализирующего устройства, которое в простейшем виде представляет собой диск с вырезом. Если изображение объекта смещено относительно оптической оси ИКП, то при вращении диска лучистый поток поступает на ПИ только тогда, когда изображение объекта попадает в вырез диска. Время между опорным импульсом, который соответствует определенному положению диска, и началом импульса с ПИ характеризует направление отклонения изображения в полярной системе координат.

Полг обзора

Рис. 28-3. Схема следящей ИК-системы.

7 - основное зеркало; 2 - вспомогательное зеркало; 3-вращающийся светопровод; 4-ПИ; 5-усилитель; 6 - блок управления; 7 - шарнир (поворот вокруг оси л); 8 - шарнир (поворот вокруг оси х); 9-анализирующее устройство; 10-изображение объекта; 11- вырез; 12 ~- опорный .сигнал.

В следящей системе вырабатывается управляющее напряжение, пропорциональное этому времени, под действием которого механизм управления корректирует положение следящей системы таким образом, чтобы изображение объекта снова оказалось на оптической оси прибора.

Следящие системы должны иметь хорошие динамические характеристики, чтобы успевать следить за быстро отклоняющейся целью, и хорошие точностные характеристики.

Электронно-оптический прибор наблюдения (ЭОПН). ЭОПН (рис. 28-4) представляет собой обычную зрительную трубу, у которой между объективом и окуляром

Рис. 28-4. Структурная схема ЭОПН.

/ - объектив; 2 - электронно-оптический преобразователь; 3 - окуляр; 4 - блок питания-.

расположен электронно-оптический преобразователь (ЭОП). С помощью ЭОП производится как преобразование ИКИ объектов (до 1,3 мкм) в видимое излучение, так и усиление лучистого потока, идущего от объектива к окуляру прибора.

Помимо своего прямого назначения, ЭОПН широко используются для фотографирования в ИК-лучах на обычную пленку и в качестве электронного фотозатвора.

Система для связи на ИК-лучах. Система для связи является активной системой, т. е. она состоит из источника ИКИ и приемного устройства.

Источник ИКИ должен обладать большой осевой силой света и соответственно узкой направленностью. Луч источника модулируется в соответствии с передаваемым сообщением. В качестве источника ИКИ в системах связи широко используются оптические квантовые генераторы-лазеры (см. разд. 29).

Приемное устройство имеет оптическую систему, приемник излучения, усилитель, демодулятор и систему воспроизведения, (телефон). Системы для связи на ИК-лучах благодаря узкой направленности источника обладают большой скрытностью действия, но по этой же причине весьма трудно согласовать оптические оси приемной и передающих систем.

Дальномеры, использующие ИК-излуче-иия. Такие дальномеры могут быть построены, как активные и как пассивные ИК-системы. Активные дальномеры состоят из источника импульсных сигналов и приемного устройства. Дальность измеряется, как в радиолокации, по времени прохождения ИК-сигнала в прямом и обратном направлении по отношению к визируемому объекту. В активных системах достигается высокая точность измерения расстояний. Так, например, измерение времени с точностью до 0,01 мксек позволяет оценивать расстояние с точностью до 1,5 м.