Обзор существующих имитаторов спектрального состава

Рисунок 6 Щелевая (a) и Фигурная (б) маски

 

 

Для определения спектрального распределения излучения выходной щели MλT(λ) необходимо найти выходное напряжение фотоприемника как функцию длины волны ΔU=ΔU(λ) и знать спектральную чувствительность используемого приемника.

Спектральная чувствительность фотоприемника

Sλ = ΔUλl (ΔΦλ),

где ΔUλ – реакция приемника, вызываемая падающим на него монохроматическим лучистым потоком ΔΦλ. Кроме того, Sλ = Sλmax S*λ,где Sλmax –максимальная спектральная чувствительность; S*λ –относительная спектральная чувствительность. С учетом сказанного спектральная плотность энергетической светимости выходной щели

MλT(λ)= ΔΦλl (SизΔλ)= ΔUλl (Sλmax S*λ l SизΔ λ),

где  Sиз  = aщ hщ –площадь засвеченного участка щели; aщ –ширина щели; hщ –высота засвеченного участка щели; Δλ= aщ Δλ/ Δl –линейная дисперсия.

Для определения ΔUλ=ΔU (λ) по известному ΔUl=ΔU (l) необходимо учитывать распределения спектра относительно положения щели.

Чтобы оценить линейную протяженность того или иного участка спектра и для вычисления Δλ/ Δl, можно использовать приведенную формулу, по которой по заданным значениям ni и ni+1 показателей преломления призмы для длин волн, ограничивающих интересующий участок спектра, и известным значениям A и f'об рассчитывают значения Δli линейных протяженностей участков спектра.

Для привязки длин волн к отсчетам l находят значения l = f(λ) по формуле

L(λреп+ Δλ +…+ Δλi)=lреп + Δl 1 +. . .+ Δl I .

На основе полученных данных рассчитывают значения и строят график спектральной плоскости энергетической светимости имитатора без маски (Рис 7, кривая l)

Для построения маски, позволившей имитировать спектральный состав заданного излучения  MλТИ (λi) / [MδT (λi)] ,а высота щелевой маски при ее ширине Δl i , соответствующей спектральному интервалу Δλi,

H(li ) = h 0 γ (li) = h0 MλТИ (λi )/ [MδT (λi)],

где h0 –высота засвеченной части выходной щели без маски.

 

 

 

Рисунок 7 Спектральная плоскость энергетической яркости:

1 –выходной щели; 2 – имитируемого  источника

 

 

Рассмотренный имитатор излучения заданного спектрального состава и силы излучения обладает тем недостатком, что на выходной щели монохроматора различные спектральные составляющие имитируемого излучения имеют различную высоту. Это не дает возможности без применения дополнительных средств осуществлять изменение мощности излучения регулировкой высоты щели без изменения спектрального состава излучения.

Если выходную щель поместить в фокальной плоскости объектива коллиматора для получения параллельного пучка лучей, то в плоскости анализа испытуемого прибора получится ее изображение. Форма сигнала, вырабатываемого фотоприемником, в этом случае будет, кроме прочего, зависеть от формы кривой его спектральной чувствительности. Избавиться от неравномерности спектрального состава по высоте выходной щели можно, если поставить за выходной щелью фотометрический интегрирующий шар.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   2.2 Имитаторы регулярных и случайных фонов

 

Реальная обстановка, в которой работают ОЭП, характеризуется чрезвычайно большим разнообразием фонов как по спектральному составу, пространственной структуре, так и по силе излучения. При этом фоны могут носить регулярный и случайный характер. В качестве примера рассмотрим имитаторы голубого безоблачного неба и инфракрасных фонов облачного неба. Первый можно отнести к группе имитаторов, имитирующих регулярные фоны, второй – случайные. Имитатор голубого безоблачного неба построен на основе интегрирующего фотометрического шара (Рис.8)

Спектральный состав излучения голубого неба определяется в основном рассеянным солнечным излучением. В схеме имитатора применены три источника излучения - дуговая

газоразрядная ксеноновая лампа 9 и две лампы накаливания 4,3. В видимой области спектра излучение дуги в ксеноне характеризуется непрерывным спектром с распределением энергии, близким к спектру солнечного излучения.

 

 

 

Рисунок 8 Схема имитатора излучения голубого неба:

1,6,10 – светофильтры; 2,5,8 – конденсаторы; 3,4 – лампы накаливания;

7 – объектив; 9 – ксеноновая лампа;

 

 В ближайшей инфракрасной  области спектра в излучении  ксеноновой лампы имеются интенсивные  линии в диапазоне 0,82 — 1 мкм и  сравнительно слабый непрерывный фон. Цветовая температура ксеноновой дуги в зависимости от типа лампы лежит в диапазоне 5400—6000 К. Этими факторами определяется причина выбора ксеноновой лампы в качестве основного источника излучения имитатора.

Для изменения распределения энергии излучения ксеноновой лампы и ослабления интенсивных линий в ее спектре применяют несколько стеклянных (цветных) светофильтров 10. Так как эти светофильтры и имеют резко выраженных характеристик поглощения для линий ксеноновой лампы, то, ослабляя силу излучения линий, они одновременно ослабляют силу излучения ксеноновой лампы в областях Л < 0,8 мкм и  X > 1,0 мкм.

В этих областях спектра после фильтрации сила излучения ксеноновой лампы оказывается недостаточной для имитации излучения голубого неба.           

Недостаток мощности излучения в этих областях компенсируют применением двух ламп накаливания 4, 3 с соответствующими светофильтрами 1,6. В качестве суммирующего устройства использован интегрирующий фотометрический шар 11, поверхность которого подсвечивается с помощью конденсаторов 8, 2, 5.

Выходное отверстие шара NN', расположенное в фокальной плоскости объектива 7 коллиматора, равномерно облучается, спектральный состав его излучения близок к спектральному составу излучения голубого неба.

Спектральный состав излучения имитатора весьма близок к спектру излучения Солнца.

Рассмотрим имитатор инфракрасных фонов облачного неба, создающий случайную фоновую обстановку (Рис.9). В данном имитаторе возможно изменение геометрической и энергетической картины имитируемого поля. В имитаторе в качестве источника излучения используется излучающее табло, представляющее собой мозаичную структуру источников инфракрасного излучения, сила излучения которых может меняться от нуля до максимального значения независимо от других с помощью управляющего устройства. Геометрические размеры каждой излучающей ячейки и расстояние между ними при данном фокусном расстоянии объекта коллиматора имитатора соответствуют значению разрешения исследуемого ОЭП, а следовательно, составленное из них дискретное поле яркости и принимается последним как сплошная излучающая поверхность. Задавая количество и фиксируя расположение излучающих ячеек, можно изучить любую конфигурацию поля яркости, а независимое управление силой излучения позволяет сформировать любой вид пространственного распределения в пределах этой конфигурации.

 

Рисунок 9 Принципиальная схема имитатора инфракрасных фонов облачного неба:

1– излучающее табло; 2 – фокальной плоскости объектива;

3 – управляющее устройство

 

Режим работы управляющего устройства, вырабатывающего команды отдельным ячейкам табло, может быть как программным, когда заранее известна структура и характер изменения во времени параметров имитируемого поля яркости, так и автоматическим, когда значения этих параметров вычисляются по известным алгоритмам в зависимости от текущих, условий испытаний.

Описанный имитатор позволяет проводить исследование работы ОЭП при трансформации энергетических, геометрических и масштабных характе- ристик поля излучения. 

 

 

 

   2.3 Имитаторы излучения природных объектов

 

Имитаторы излучения природных объектов, например Солнца, звезд, Земли  и планет, используются для испытаний ОЭП астроориентации, а также в качестве имитаторов фонового излучения.

Рассмотрим имитатор излучения Солнца (Рис.10).

Имитаторы солнечного излучения промышленного изготовления характеризуются следующими техническими данными: спектр излучения в диапазоне от 0,25—0,35 до 2—2,5 мкм; погрешность имитации спектра солнечного излучения не превышает ±10 %; диаметр светового пучка d = 50 -v 120 мм; расходимость пучка от 32 до 200'; освещенность, создаваемая имитатором  (100 -г 400) 103 лк; потребление 10-15 кВт.

 

 

 

 

 

Рисунок 10 Имитатор солнечного излучения:

1– корпус; 2 – газоразрядная лампа с ксеноновым наполнением;

3 – Коллимирующая оптическая система имитатора; 4 – шкала отсчет разворота; 5 – винтовый механизм; 6 – опорная колонка; 7 – домкраты;

8 – выпрямитель

 

Для ОЭП, укомплектованных кремниевыми фотодиодами, например для солнечных датчиков, не требуется имитации ультрафиолетовой области спектра, и зачастую не предъявляются жесткие требования по углу расходимости светового пучка. В этих случаях солнечное излучение имитируют с помощью ламп накаливания, производя необходимую коррекцию спектральной кривой излучения светофильтрами. В качестве примера можно указать на лампы-фары, содержащие галогенную лампу и отражатель с многослойным интерференционным покрытием для диапазона 1,38-0,6 мкм. Благодаря этому, излучение лампы-фары в диапазоне 0,4-1,2 мкм удовлетворительно совпадает со спектром солнечного излучения, расходимость пучка имитатора не превышает 10°.

Преимущество имитатора на основе лампы накаливания заключается в отсутствии пульсаций потока излучения, которые характерны для имитаторов газоразрядными лампами, кроме того, не требуется охлаждения, имитаторы безопасны в обращении.

Одна из возможных схем имитатора излучения звезды (Рис.11)  снабжена коллимирующей оптической системой. Осветительный узел содержит лампу накаливания 1, питаемую стабилизированным напряжением, матовое стекло 2 для выравнивания освещенности и конденсор 3.Набор сменных светофильтров 4 позволяет изменять уровень потока на выходе имитатора и его спектр, чем моделируется излучение звезд различных классов и звездных величин. Угловой размер диафрагмы 5 выбран меньше углового размера дифракционного кружка  рассеяния объектива 8, благодаря чему обеспечивается минимальная расходимость выходного пучка.

 

 

 

Рисунок 11 Имитатор звездного излучения:

1 – лампа накаливания; 2 – матовое стекло; 3 – конденсор; 4 – набор сменных светофильтров; 5 – диафрагмы; 6, 7 – оптические клинья; 8 – объектив; 9 – кардановый подвес; 10 – корпус; 11 – коллиматор; 12 – станина; 13 – зеркало; 14 – стойка; 15 – маховники

 

Для имитации движения звезды изменяют пространственное положение пучка на выходе имитатора следующим образом: прецизионный наклон пучка производят с помощью оптических клиньев 6 и 7 (главные сечения их взаимно перпендикулярны), установленных между диафрагмой и объективом. Клинья независимо друг от друга можно передвигать вдоль оптической оси с помощью реечных механизмов. Такое устройство обладает высокой кинематической чувствительностью. При смещении клина 6 угол наклона пучка в вертикальной плоскости у = Ао(п - 1)/f', (Δ-смещение клина; σ — угол при вершине клина; п — показатель преломления материала клина; f' — фокусное расстояние объектива). Если σ =80'; п~1,6; f' = 1600 мм, то смещение клина на 1 мм приведет к наклону пучка на 2,0''.

В действующем образце имитатора при наибольшем смещении клина, наклон составляет 30''.

Более точно воспроизводит реальную обстановку имитатор излучения звезды и фона (Рис.12), поскольку пеленгация звезд всегда производится на излучающем фоне, например, на фоне рассеянного атмосферой солнечного излучения.

 

 

Рисунок 12 Имитатор излучение звезды и фона:

1 – осветитель; 2 – диафрагма; 3 – полупрозрачное зеркало;

4 – коллиматор; 5 – молочная пластина; 6 – полусфера; 7 – отражатель;

8 – конденсор

 

Имитатор состоит из двух частей. Первая – имитатор излучения звезды, работающий по коллимационной схеме, содержащий освоитель 1 и диафрагму 2. Излучение осветителя, пройдя диафрагму, отражается от полупрозрачного зеркала 3, попадает на главное сферическое зеркало коллиматора 4 и, отразившись от него, выходит параллельным пучком. Вторая часть-имитатор фонового излучения. Он выполнен на принципе фотометрического шара, источник излучения совместно с конденсатором образует осветитель 8, его пучок проецирует на конический отражатель 7, покрытый сернокислым барием, за счет чего обеспечивается диффузное отражение. Рассеянное конусом излучение попадает на внутреннюю поверхность полусферы 6,также покрытую сернокислым барием. Выходное отверстие полусферы 6 закрыто молочной пластиной 5, которая является оконченным излучателем имитатора фона. Благодаря указанным особенностям конструкции (наличию трех элементов с диффузным отражением-пропусканием) яркость излучающей поверхности имитатора постоянна по всей площади.

Для совмещения в один пучок потока зеркального коллиматора звездного изучения и излучения фона служит наклонное полупрозрачное зеркало 3. Световой поток, излученный молочной пластиной, отразившийся от зеркала, отклоняется в сторону выходного отверстия имитатора.