Основы оптико-электронного приборостроения

ОСНОВЫ  ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО  ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Ю.Г. Якушенков

ОСНОВЫ  
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО 
ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

2-е издание,
переработанное и дополненное

Рекомендовано Учебно-методическим объединением  
по образованию в области геодезии и фотограмметрии в качестве 
учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся  
по направлению «Геодезия и дистанционное зондирование»  
и специальности «Прикладная геодезия»

Москва • Логос • 2020

УДК 681.384.31
ББК
32.86-5-01 
Я49
Серия основана в 2003 году

Рецензенты

В.В. Коротаев, доктор технических наук, профессор 
(Национальный исследовательский университет информационных 
технологий, механики и оптики)
В.В. Шлапак, кандидат технических наук, профессор 
(Московский государственный университет геодезии  
и картографии – МИИГАиК)

Якушенков Ю.Г. 
Основы оптико-электронного приборостроения: учебник. – 2-е изд., 
перераб. и доп. / Ю.Г. Якушенков. – М.: Логос, 2020. – 376 с.: ил. 
(Новая университетская библиотека).

ISBN 978-5-98704-652-4

Изложены физические принципы работы и основы построения оптикоэлектронных приборов (ОЭП). Описаны типовые узлы ОЭП: источники и 
приемники оптического излучения, оптические системы, анализаторы изображения, сканирующие системы, модуляторы. Рассмотрены методы приема оптических сигналов, обобщенные структурные схемы ОЭП и способы 
выделения сигналов от объектов, наблюдаемых на фоне помех. Приведены 
методики расчета ряда основных параметров ОЭП, которые могут быть полезными при выборе того или иного ОЭП, предназначенного для использования в геодезической практике и дистанционном зондировании и оценке 
эффективности этого использования.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Геодезия и дистанционное зондирование» и специальности «Прикладная геодезия». Представляет интерес для специалистов, занимающихся 
топографо-геодезической деятельностью и дистанционным зондированием 
Земли, а также проектированием и эксплуатацией ОЭП различного назначения.

УДК 681.384.31
ББК 32.86-5-01

ISBN 978-5-98704-652-4
© Якушенков Ю.Г., 2020 
© Логос, 2020

Я49

Оглавление

Предисловие....................................................................................................9 

Часть I. Физические основы и элементы оптико-электронных  
приборов ......................................................................................................11

Глава 1. Общие сведения об оптико-электронных приборах .............11

1.1. Оптико-электронные приборы: определение,  

обобщенные схемы и методы работы.......................................11

1.2. Краткая классификация оптико-электронных приборов ........14 
1.3. Сравнение оптико-электронных приборов с визуальными 

оптическими и радиоэлектронными приборами .....................15 

1.4. Краткий исторический очерк и некоторые перспективы  

развития оптико-электронного приборостроения...................18 

Глава 2. Оптическое излучение. Источники излучения,  
используемые в оптико-электронных приборах ...................................23

2.1. Оптический спектр электромагнитных колебаний..................23
2.2. Основные энергетические и фотометрические величины 

и соотношения между ними.......................................................24

2.3. Система астрофизических звездных величин..........................31
2.4. Законы теплового излучения .....................................................35
2.5. Основные типы излучателей, применяемых  

в оптико-электронных приборах...............................................42

Глава 3. Распространение оптического излучения в атмосфере........60

3.1. Оптические характеристики атмосферы ..................................60
3.2. Поглощение излучения в земной атмосфере ...........................64 
3.3. Рассеяние излучения в атмосфере.............................................67 
3.4. Флуктуации прозрачности атмосферы и их влияние  

на работу оптико-электронного прибора .................................73

3.5. Рефракция оптических лучей.....................................................79 
3.6. Влияние атмосферы на контраст между наблюдаемым  

объектом и фоном.......................................................................81 

Глава 4. Оптическая система оптико-электронного прибора ............83

4.1. Назначение, структура и особенности оптической системы 

оптико-электронного прибора...................................................83

4.2. Критерии качества оптической системы 

оптико-электронного прибора...................................................86

Оглавление

4.3. Передающие оптические системы ...........................................90
4.4. Объективы ...................................................................................94
4.5. Конденсоры приемных оптических систем ............................99 
4.6. Оптические компенсаторы.......................................................105 
4.7. Бленды. Борьба с внешними и внутриприборными  

засветками в оптической системе ...........................................109 

4.8. Оптические фильтры ................................................................112 

Глава 5. Приемник излучения как звено оптико-электронного  
прибора
....................................................................................................117 

5.1. Краткая классификация приемников излучения,  

используемых в оптико-электронных приборах ...................117 

5.2. Параметры приемников излучения.........................................118 
5.3. Характеристики приемников излучения ................................125 
5.4. Паспортизация приемников. Пересчет их параметров .........128 
5.5. Основные виды приемников излучения, применяемых  

в оптико-электронных приборах.............................................135 

5.6. Многоэлементные приемники излучения ..............................149 
5.7. Многодиапазонные приемники излучения ............................160
5.8. Электронно-оптические преобразователи..............................162
5.9. Передающие телевизионные трубки.......................................169

Глава 6. Анализаторы изображения оптико-электронных  
приборов ....................................................................................................174 

6.1. Назначение анализаторов изображений 

и их классификация..................................................................174 

6.2. Основные параметры и характеристики анализаторов.........176 
6.3. Светоделительные амплитудные анализаторы......................178 
6.4. Амплитудно-фазовые анализаторы ........................................182 
6.5. Фазовые анализаторы изображения........................................187 
6.6. Частотные анализаторы ...........................................................189 
6.7. Времяимпульсные (фазоимпульсные) анализаторы .............191 
6.8. Многоэлементные приемники излучения как анализаторы 

изображений..............................................................................195 

6.9. Спектр сигнала на выходе многоэлементного анализатора 

изображений..............................................................................201

Глава 7. Сканирование в оптико-электронных приборах.................205 

7.1. Назначение и роль сканирования. Методы сканирования....205
7.2. Параметры и характеристики сканирующих систем.............210 
7.3. Механические и оптико-механические сканирующие  

системы......................................................................................217 

7.4. Фотоэлектронные сканирующие системы..............................224 

Оглавление
7

Глава 8. Модуляция и демодуляция сигналов в оптико-электронных 
приборах ....................................................................................................226

8.1. Назначение, классификация и особенности модуляции 

потока излучения .....................................................................226 

8.2. Демодуляция сигналов .............................................................233 
8.3. Потери мощности сигнала при модуляции ............................238 
8.4. Общая характеристика способов модуляции сигнала  

в оптико-электронных приборах.............................................239 

8.5. Модуляторы оптических сигналов, применяемые  

в оптико-электронных приборах.............................................242 

8.6. Пространственно-временн ´ые модуляторы (динамические 

транспаранты) ..........................................................................249 

Часть II. Основы теории приема сигналов в применении  
к оптико-электронным приборам...........................................................253

Глава 9. Основные методы приема оптических сигналов ...............253

9.1. Краткая классификация основных методов приема  

оптических сигналов ................................................................253

9.2. Гетеродинный прием оптических сигналов...........................255
9.3. Динамический метод приема (метод счета  

одноэлектронных импульсов) .................................................260

Глава 10. Обобщенные структурные схемы оптико-электронных 
приборов ....................................................................................................264

10.1. Структурная схема оптико-электронной измерительной  

и следящей системы .................................................................264

10.2. Структурная схема оптико-электронной системы  

визуализации и обработки изображений................................267 

10.3. Оптическая система как линейный фильтр..........................272 
10.4. Передаточная функция среды распространения 

излучения...................................................................................277

10.5. Передаточная функция оптико-электронной системы........282 

Глава 11. Фильтрация сигналов в оптико-электронных  

приборах ..........................................................................................287 
11.1. Спектральная оптическая фильтрация..................................287 
11.2. Пространственная фильтрация в некогерентных  

оптических системах................................................................292 

11.3. Фильтрация сигналов в электронном тракте........................297 
11.4. Оптическая корреляция..........................................................304 

Оглавление

Часть III. Методики расчета и выбора некоторых основных  
параметров и характеристик оптико-электронных приборов .........311

Глава 12. Энергетические расчеты оптико-электронных  
приборов ....................................................................................................311

12.1. Критерии качества оптико-электронных приборов.............311 
12.2. Обобщенная методика энергетического расчета.................312 
12.3. Расчет значений потоков и облученностей на входе  

оптико-электронного прибора.................................................315 

12.4. Расчет потерь потока в оптической системе........................325 
12.5. Расчет коэффициента полезного действия системы  

первичной обработки информации.........................................326

Глава 13. Расчет показателей эффективности работы  
оптико-электронных приборов ...............................................................329

13.1. Расчет вероятностей обнаружения сигнала на фоне 

помех..........................................................................................329 

13.2.  Расчет отношения сигнал-шум на выходе системы  

первичной обработки информации.........................................334 

13.3. Расчет пороговой чувствительности оптико-электронного 

прибора ......................................................................................339

13.4. Расчет дальности действия оптико-электронных  

приборов ...................................................................................342 

13.5. Основные этапы точностного расчета оптико-электронных 

приборов....................................................................................346 

13.6. Общая методика расчета инструментальных  

погрешностей............................................................................349

Глава 14. Расчет и выбор ряда конструктивных параметров  
оптико-электронных приборов ...............................................................351

14.1. Расчет основных конструктивных параметров оптической 

системы......................................................................................351

14.2. Выбор и расчет основных параметров источника  

излучения...................................................................................353

14.3. Выбор и расчет основных параметров приемника  

излучения...................................................................................355

14.4. Сравнительная оценка различных видов модуляции  

оптических сигналов. Выбор рабочих частот модуляции  
и ширины полосы пропускания...............................................358

14.5. Краткие сведения об испытаниях оптико-электронных 

приборов....................................................................................364

Список литературы ...................................................................................373

Предисловие

В настоящее время оптико-электронные приборы (ОЭП) используются для решения самых разнообразных задач: при линейных и угловых измерениях, автоматическом слежении и управлении, исследовании природных ресурсов и окружающей среды, обработке оптических 
изображений. Их применяют во всех отраслях народного хозяйства, 
науки, техники, в том числе в геодезии и дистанционном зондировании, и области приложения этих приборов непрерывно расширяются.
Курс «Основы оптико-электронного приборостроения» посвящен 
изложению физических принципов работы и построения ОЭП, описанию их типовых узлов, рассмотрению методов приема оптических 
сигналов и способов выделения сигналов от наблюдаемых объектов на 
фоне помех. При выборе или оценке эксплуатационных возможностей 
ОЭП для использования в геодезической практике важно владеть простейшими методиками расчета их основных параметров, что поможет 
оценить эффективность применения этих приборов. Данный курс является общепрофессиональным для студентов геодезических специальностей.
По сравнению с первым изданием учебника, вышедшим в свет в 
1977 г., книга существенно переработана и дополнена, что связано в 
первую очередь с появлением новых поколений элементной базы оптико-электронного приборостроения. 
Книга состоит из трех частей. В части I изложены сведения о законах оптического излучения и основных типах излучателей, используемых в оптико-электронном приборостроении. Затем кратко рассматриваются некоторые положения физической и атмосферной оптики.  
В последующих главах этой части описаны типовые узлы ОЭП, причем 
автор стремился подчеркнуть взаимосвязь их основных параметров и 
характеристик, единство структуры ОЭП как комплекса оптических, 
электронных и других звеньев. 
Сложность задач, решаемых оптико-электронным прибором, побуждает рассматривать его как часть общей системы обработки информации, причем последняя может состоять из большого числа устройств, 
различных по физическому принципу работы. Поэтому целесообразно 

Предисловие

при расчете ОЭП или оценке его эффективности воспользоваться положениями общей теории сигналов. Некоторым основным аспектам ее 
применения в оптико-электронном приборостроении посвящена часть II 
учебника, в которую включены разделы о методах приема оптических 
сигналов, структурных схемах типовых ОЭП и способах выделения 
сигналов на фоне помех. 
В части III учебника рассмотрены методы расчета основных параметров и характеристик ОЭП, базирующиеся на использовании обобщенных методик энергетического и точностного расчетов. Здесь же 
приводятся сведения о расчете наиболее важных для геодезической 
практики показателей эффективности и основных конструктивных параметров ОЭП.
При работе над новым изданием книги автор пользовался советами и помощью своих коллег по кафедре оптико-электронных приборов 
Московского государственного университета геодезии и картографии. 
Большой вклад в подготовку рукописи к печати внесла М.П. Андерсон, которой автор приносит искреннюю благодарность. Автор весьма 
признателен профессорам В.В. Коротаеву и В.В. Шлапаку за ценные 
предложения и замечания, сделанные ими в процессе рецензирования 
рукописи книги.