Уровень: Основной текст Глоссарии: ... Литература

Энергетический расчет

Энергетический расчет является одним из главных этапов проектирования ПНВ и позволяет оценить основные параметры его оптических элементов. Расчет сводится к определению параметров прибора по заданной дальности его действия или к вычислению дальности действия по яркости, контрасту, разрешающей способности при известных или выбранных основных параметрах прибора.

Широкий круг задач, выполняемых при помощи ПНВ, не позволяет создать единую методику расчета ночного прибора. Во-первых, существуют приборы активного и пассивного действия. Во-вторых, объем и характер информации, который необходим для обнаружения объекта или детальной проработки его структуры, различен. В-третьих, объекты могут быть точечными или протяженными. В-четвертых, только наличие фона создает три типичных случая, возможных при расчете ПНВ:

а) объект проецируется на неизлучающем фоне;

б) фон равномерно излучает или заполняет часть поля зрения или все поле зрения;

в) фон излучает световой поток, переменный во времени и пространстве.

В каждом из названных примеров методика расчета специфична.

Познакомимся с простейшим случаем. Пусть в поле зрения прибора находится объект, имеющий яркость излучения В_об и площадь эффективного излучения S_об, находящуюся на расстоянии L от прибора (рис.45). Тогда поток излучения, собираемый объективом ПНВ определяется по формуле: Ф_об=p В _об· S_{об ·} sin² a ·t _a , где t_а - коэффициент пропускания атмосферы в рабочей области спектра; a - половина плоского угла, соответствующая угловому размеру объектива.

Если принять, что пропускание объектива в рабочей области спектра t₀, а sin a определить через диаметр входного зрачка объектива D и расстояние L до объекта, т.е. sin a =D/2L, тогда световой поток, воздействующий на фотокатод, определится из выражения:

Освещенность фотокатода, создаваемую объектом, можно определить по формуле :

где S' _об - площадь изображения цели.

Отношение площадей объекта и его изображения можно заменить следующим отношением:

На основании проделанной замены освещенность фотокатода будет определяться формулой

Зная освещенность фотокатода, нетрудно перейти и к яркости изображения объекта, рассматриваемого на экране ЭОП:

В этом выражении h_в - коэффициент усиления яркости ЭОП, k - коэффициент использования излучения фотокатодом; h - коэффициент преобразования ЭОП; Г_ЭОП - увеличение ЭОП.

Реально объект всегда находится на естественном фоне с коэффициентом отражения, отличным от коэффициента отражения объекта. В противном случае объекта становится неразличимым даже при высоких яркостях. Если объект занимает часть поля зрения, а равномерный и протяженный фон полностью заполняет поле зрения, то, по аналогии с предыдущим выражением, яркость экрана от действия фонового света может быть определена выражением:

где В_ф - яркость фона; r_ф и r_об - коэффициента альбедо фона и объекта.

Однако даже при отсутствии естественного фона на экране всегда присутствует собственное свечение экрана. Оно формируется, в основном, термоэмиссией, яркость которой определяется выражением:

в этом выражении c - светоотдача, кд/Вт, j - интегральная чувствительность фотокатода; I_т - плотность темнового тока фотокатода.

На зрительное восприятие изображения влияют многочисленные факторы, главные из которых - яркость фона, контраст изображения объекта относительно фона, инерция зрения, скорость перемещения объекта, его угловые размеры. Изображение объекта на экране различается наблюдателем только при условиях, что яркость свечения объекта на экране выше порогового значения яркости для глаза, и пороговое значение контраста, различаемое глазом наблюдателя k _пор, меньше реального контраста k^э_зр, который определяется на основании выражения:

Приведенные выражения позволяют рассчитать В^э_об , В^э_ф, k^э_зр и найти оптимальные значения основных параметров прибора, а также требуемую освещенность объекта при данном уровне яркости объекта.

Выполняется это следующим образом. Задаемся, например, яркостью В _ф и строим график зависимости реального контраста k^э _зр от яркости фона при заданных в ТЗ параметрах прибора и различных условиях наблюдения (рис.46).

На этот же график наносим кривые пороговых контрастов k _пор, различаемых глазом, при разных угловых размерах a объектов, для тех же значений В_ф .

Для расчетов параметров прибора необходимо знать угловые размеры наблюдаемого объекта, например, a =1 ' . При увеличении прибора Г=6 ^_ видимый угловой размер на экране a =6' . Выбрав кривую k_пор для a =6 ' , находим точку М пересечения кривых k _пор и k^э_зр.

Для точки М, характеризующей пороговые условия видимости, предельный зрительный контраст k_зр> 32% при яркости фона порядка 0,5 кд/м². Слева от линии ММ₀ зрительные контрасты меньше пороговых и при данных значениях яркости и углового размера объекта его изображение зрительно на экране не регистрируется, наблюдение возможно только при подсветке.

При практических расчетах используют не абсолютные величины яркости или освещенности объекта и фона, а их эффективные значения, приведенные к чувствительности данного фотокатода.

Кроме фона на качество изображения могут влиять различные помехи. Под ними понимают появление в поле зрения точечных или протяженных источников света, непосредственно солнечного или лунного света, излучения звезд, планет, рассеянного атмосферой излучения. По изложенной методике определяют величину фона и находят значение k^э_зр.

Рассмотрим частный случай, когда фон не излучает в рабочей области спектра. Это может происходить при хорошей метеорологической видимости, фон создается лишь термоэмиссией. Тогда контраст будет определяться формулой:

Раскроем это выражение: В^э_об= В^э _т+ В^э_т· k^э_зр= (k^э_зр +1)· В^э_т.

Чтобы глаз наблюдателя мог различать структуру предмета на фоне, необходимо выполнение условия k^э_{зр_} k_пор, то есть справедливо выражение:

где k_пор - пороговое значение контраста на экране ЭОП, замечаемое глазом. Значение k_пор можно найти по графикам, показанным на рис. 47.

Подставим значения В^э_об и В_т^э в неравенство (1):

Из последней формулы можно вывести выражения для яркости объекта и относительного отверстия q объектива ПНВ:

  (2)

По известной яркости объекта рассчитывается необходимая освещенность объекта:

Если реальная освещенность меньше рассчитанной по данной формуле, требуется подсветка объекта прожектором.

Освещенность, создаваемая прожектором, определяется следующим выражением:

Подставив его в предыдущее и решив относительно дистанции L, получим выражение для расчета дальности:

Данное выражение связывает воедино тактические параметры ПНВ, объекта и зрительной системы и дает в энергетическом расчете наглядное представление об удельном весе каждого из них.

В литературе приводятся сведения, что при удовлетворительных условиях видимости (визуальная видимость не менее 5 км) обратный рассеянный световой поток создает яркость фона на три порядка ниже яркости фона термоэлектронной эмиссии кислородно-серебряно-цезиевого фотокатода и практически не оказывает влияния на дальность действия. При наличии мультищелочных фотокатодов фон, создаваемый рассеянным излучением, приближается к фону термоэмиссии. При этом его действие уменьшает дальность наблюдения на 30%.

В приборах пассивного действия подсветку создает излучение ночного неба. Это излучение обычно неравномерно как вследствие различной плотности облачности, так и в зависимости от времени суток: излучение больше в западной части после захода Солнца и в восточной - перед его восходом. Если объект находится напротив яркого участка неба, то его изображение на экране будет светлым на темном фоне, и наоборот, если предмет расположен на фоне излучающего участка неба, изображение окажется темным на светлом фоне. Возможен и промежуточный случай, когда объект отражает свет ночного неба, проецируясь на излучающей его части.

Дальность действия пассивного ночного прибора можно выразить, решив выражение (2) относительно t_а:

Согласно закону Бугера-Ламберта t_а можно представить как t _а=е^{- b L}, где b - показатель ослабления излучения на единицу трассы, км^-1, равный сумме коэффициентов поглощения и ослабления.

Заменяя коэффициент пропускания t_а записанным выражением, получим следующее равенство:

Прологарифмируем полученное выражение и решим его относительно L:

Предел разрешения прибора ночного видения зависит не только от его дифракционных свойств, аберраций, но и от энергетических соотношений. При малых отношениях сигнал/шум невозможно различить мелкие детали. Поэтому, проделав расчеты по предложенной методике, необходимо оценить разрешающую способность реального прибора, исходя из энергетических соотношений. Для этого в литературе приводится выражение для разрешения ПНВ вида:

где N - число разрешаемых элементов на диаметр фотокатода; S - интегральная чувствительность фотокатода, отнесенная к его апертуре; E_пор - пороговое значение освещенности на фотокатоде; t - время наблюдения; M - отношение сигнал/шум. Для распознавания это отношение должно быть не менее 30.