А. Ф. Крячко должность, уч степень, звание подпись, дата инициалы, фамилия - файл

приобрести
скачать (170.1 kb.)


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

УТВЕРЖДАЮ



Заведующий кафедрой № 21


Д.т.н., профессор










А.Ф.Крячко

должность, уч. степень, звание




подпись, дата




инициалы, фамилия

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА

ВКРБ.21.200400..ПЗ


Вид выпускной работы

Бакалаврская работа




(бакалаврский проект или бакалаврская работа)



Тема

Методы радиооптики в теории решеточных спектральных приборов
























Подготовила

Епикова Ирина Олеговна













(фамилия, имя, отчество)












Направление и профиль бакалаврской подготовки

200400




(код)

Оптотехника

(наименование направления и профиля подготовки)

Утверждена

приказ №  от « июня» 2013 г.

Руководитель выпускной работы

К.т.н., доцент










О.Д. Москалец

должность, уч. степень, звание




подпись, дата




инициалы, фамилия



Студентка группы №

2916










И.О. Епикова










подпись, дата




инициалы, фамилия

Санкт-Петербург 2013


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ»

УТВЕРЖДАЮ



Заведующий кафедрой №21


Д.т.н., профессор










А.Ф.Крячко

должность, уч. степень, звание




подпись, дата




инициалы, фамилия

ЗАДАНИЕ

НА ВЫПУСКНУЮ КВАЛИФИКАЦИОННУЮ РАБОТУ БАКАЛАВРА


Студентке

Епиковой Ирине Олеговне




группы №

2916




фамилия, имя, отчество










Тема

Методы радиооптики в теории решеточных спектральных приборов




Цель работы

установление комплексной аппаратной функции общего вида решеточного

спектрального прибора, которая является ядром линейного интегрального оператора,

связывающего комплексный математический спектр со спектром аппаратурным

Задачи, подлежащие решению

предложить эквивалентную оптическую схему решеточного спектрального прибора и

ее радиооптический аналог; предложить модель функции пропускания дифракционной

решетки; установить комплексную аппаратную функцию решеточного спектрального

прибора в общем виде

Исходные данные

Функция пропускания дифракционной решетки описывается меандром.

Оптическая система дифракционного спектрального прибора представляется в форме

Оптического когерентного Фурье – процессора

Задание на библиографический поиск

научная, учебная и учебно-методическая литература, монографии, справочники,

статьи, стандарты, обзорные материалы, авторские свидетельства и патенты, каталоги,

электронные ресурсы по теме ВКР

Дополнительные требования и ограничения






Срок предоставления работы « июня» 2013 г.


Руководитель выпускной работы

К.т.н., доцент










О.Д. Москалец

должность, уч. степень, звание




подпись, дата




инициалы, фамилия

Задание получила



студентка группы №

2916










И.О. Епикова










подпись, дата




инициалы, фамилия



РЕФЕРАТ

Количество страниц: , иллюстраций – , таблиц – .

Ключевые слова: решеточный спектральный прибор, функция пропускания, когерентный оптический Фурье – процессор, комплексная аппаратная функция, радиооптика.

Объектом исследования выпускной квалификационной работы является дифракционный решеточный спектральный прибор.

Цель работы – установление комплексной аппаратной функции общего вида решеточного спектрального прибора, которая является ядром линейного интегрального оператора, связывающего комплексный математический спектр со спектром аппаратурным.

В результате выполнения выпускной квалификационной работы установлена связь между математическим и аппаратурным спектрами, определена комплексная аппаратная функция решеточного спектрального прибора, которая в явном виде позволяет описать многопорядковый характер спектральной картины в выходной плоскости такого прибора.

Область применения: дальнейшее развитие теории дифракционных спектральных приборов, с целью определения их потенциальных возможностей.

Пояснительная записка к дипломному проекту выполнена в текстовом редакторе MS Word 2010.


Содержание


ВВЕДЕНИЕ 4

1.Методы решения задач. 6



2. Дифракционный спектральный прибор. 8

2.1. Эквивалентная схема и радиооптический аналог решеточного спектрального прибора. 9



3. Функция пропускания дифракционной решетки. 13

4. Комплексная аппаратная функция решеточного спектрального прибора. 15

Заключение 18



Список использованных источников 19


ВВЕДЕНИЕ


В физике и технике спектральные методы и спектральные приборы принадлежат к числу наиболее распространенных, и в настоящее время нет видимых причин, которые бы привели к изменению этого положения. Анализ гармонического спектра относится к числу важнейших физических измерений, а также выполняется в тех случаях, когда изучение сигналов как функций времени не дает достаточно ясного представления о физических процессах, протекающих в источниках.

Чрезвычайно широкое распространение приборов для измерения гармонических спектров обусловлено важностью и разнообразием получаемой с их помощью информации, как в фундаментальных исследованиях строения материи, так и при решении прикладных задач. В первую очередь методы и приборы гармонического анализа охватывают те научные направления, которые обеспечивают прогресс всей науки в целом, а также наиболее динамично развивающиеся области современной техники.

Особенно велика роль гармонического анализа в спектроскопии, где получаемая информация заключена в функции распределения энергии электромагнитного излучения по частотам. При спектроскопических измерениях спектральные приборы исследуют электромагнитное излучение как сигнал, посылаемый материей и несущий информацию не только о химическом составе вещества, но и об его агрегатном состоянии, температуре, о физических и химических процессах, происходящих в нем, а также о физических свойствах среды, через которую распространяется излучение. Таким образом, спектральные приборы во многом являются инструментами для изучения микромира. Особая роль спектральных измерений в оптическом диапазоне обусловлена еще и тем, что исследование оптических сигналов возможно только в спектральной области, в отличие от сигналов радиодиапазона, которые возможно исследовать во временном пространстве помощью осциллографической техники.

Спектроскопические методы получения информации являются единственно возможными при изучении весьма удаленных или труднодоступных объектов. Отличительное качество этих методов состоит в том, что исследование объекта по спектрам испускания или поглощения не нарушает физических условий, существующих в изучаемом объекте.

Прогресс спектрального приборостроения связан с общим прогрессом науки и техники и, в то же время, сам активно влияет на него. Среди приборов для научных исследований аппаратура гармонического анализа занимает особое место: техника спектроскопии развивается в течение многих лет очень высокими темпами, более быстрыми, чем в других областях физического эксперимента и анализа. Поэтому результатом развития техники спектроскопии является целый ряд методов анализа гармонических спектров и широчайшая номенклатура спектральных приборов. Тем не менее, дальнейший прогресс науки и техники требует разработки новых методов и принципов измерения спектров динамических сигналов и методов описания измерения спектров.

Целью данной работы является установление комплексной аппаратной функции общего вида решеточного спектрального прибора, которая является ядром линейного интегрального оператора, связывающего комплексный математический спектр со спектром аппаратурным.

Этот оператор дается выражением

. (1)

  1. Методы решения задач.


Важнейшей задачей теории спектральных измерений является установление связи между спектром динамического сигнала в математической форме и спектром аппаратурным, т.е. спектром, полученным с помощью спектрального прибора [1].

В настоящей работе решеточный спектральный прибор рассматривается как линейная система. Важнейшей задачей теории линейных систем является связь вход – выход линейной системы и определение такой характеристики линейной системы, которая просто и вместе с тем полно характеризовала бы эту систему [2].

Входным сигналом спектрального прибора как линейной системы является комплексный спектр анализируемого динамического сигнала. Такой подход к решению поставленной задачи можно назвать радиооптическим.

Важнейшим принципом является выполнение принципа линейной суперпозиции, при этом функция пропускания дифракционной решетки представляется в форме экспоненциального ряда Фурье, а действие оптической системы дифракционного спектрального прибора рассматривается как преобразование статического сигнала на его входе оптическим когерентным Фурье – процессором.

Термин «радиооптика» характеризует определенный подход, объединяющий хорошо разработанный в радиотехнике аппарат преобразования сигналов и спектрального анализа с оптическими приложениями и, наоборот, позволяющие перенести известные в оптике схемы и принципы в другие частотные диапазоны, а также на случай волновых полей другой природы [3].

В данной работе радиооптический подход характеризуется следующим образом: исходным является понятие математического комплексного спектра, характерного при анализе радиотехнических цепей. Согласно принципам радиооптики [4] применяется понятие пространственной частоты характеристики и импульсной реакции свободного пространства.

Важное место в современных технологиях отводится радиооптическим методам, которые, опираясь на достижение лазерной и микроволновой техники, голографии, оптоэлектроники, цифровой техники и радиофиофизики, открыли возможность нового подхода к решению ключевых проблем информатики, вычислительной техники и радиофизики.

Устойчивой тенденцией является проникновение методов радиотехники в оптический диапазон, с одной стороны, и внедрение оптических методов в вычислительную технику, излучающие и канализирующие устройства СВЧ – диапазона и т. п. – с другой. Сюда можно отнести системы передачи информации на волоконно – оптических волноводах и гибридные оптоэлектронные процессоры, голографические системы памяти и оптические запоминающие устройства, звуковые и видеопроигрыватели на оптических дисках, оптоэлектронные устройства ввода и обработки информации в реальном масштабе времени и др. Характерной чертой гибридных радиооптических систем является то, что они содержат как электронные, так и оптические элементы, объединенные в ряде случаев в единые оптоэлектронные устройства.



2. Дифракционный спектральный прибор.


Наиболее широкое применение в оптической спектрометрии находят дифракционные спектральные приборы. Оптическая схема дифракционного спектрального прибора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Оптическая схема дифракционного спектрального прибора.

ИИ – источник излучения

ФО – формирующая оптика

Щ – щель

О1 и О2 – входной и выходной объективы

ДС – диспергирующая система

ФП – фокальная плоскость выходного объектива


Эти приборы выполняют пространственное разложение оптического излучения в спектр по длинам волнам (частотам) с помощью диспергирующего элемента, в котором излучения различных длин волн разделяются по направлению. Диспергирующий элемент преобразует падающий на него параллельный пучок оптического излучения в совокупность параллельных пучков монохроматического излучений, отклоненных на различные углы в зависимости от длины волны . Число параллельных пучков определяется набором длин волн входящих в состав исследуемого излучения. Далее эти пучки фокусируются выходным объективом в его фокальной плоскости и подвергаются дальнейшей обработке. В качестве диспергирующего элемента могут быть использованы дифракционная решетка (решеточные спектральные приборы) или преломляющая призма (призменные спектральные приборы). Наряду с вышеперечисленными спектральными приборами, в последнее время находят довольно широкое применение оптические спектральные приборы, у которых в качестве диспергирующего элемента используются акустооптический перестраиваемый фильтр. Принцип работы этих приборов заключается в том, что оптическое излучение дифрагирует на решеткоподобной структуре, которая формируется акустической волной, бегущей вдоль выбранного направления кристалла акустооптического модулятора.

2.1. Эквивалентная схема и радиооптический аналог решеточного спектрального прибора.


Для анализа действия дифракционного прибора необходимо предложить его эквивалентную схему и радиооптический аналог последней.

Эквивалентная схема решеточного спектрального прибора представлена на рисунке 2.




Рисунок 2. Эквивалентная схема спектрального прибора.
1 - Дифракционная решетка

2 – Слои свободного пространства

3 – Тонкая линза

4 – Выходная плоскость



f – Фокусное расстояние линзы
Радиооптическая аналогия решеточного спектрального прибора представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Радиооптическая аналогия решеточного спектрального прибора
1 – Пространственный преобразователь света – дифракционная решетка

2 – Преобразователи Френеля

3 – Транспарант тонкая линза

Преобразование однородной плоской монохроматической волны в соответствии с радиооптическим аналогом определяется выражением



. (2)
Результатом интегрирования является соотношение, описывающее действие оптического когерентного Фурье-процессора:

, (3)

где пространственная частота; здесь координата в выходной плоскости; угловая частота, скорость света, фокусное расстояние линзы.



3. Функция пропускания дифракционной решетки.

Под функцией пропускания понимается [5] следующее выражение



, (4)
где - комплексная амплитуда плоской однородной монохроматической волны
, (5)
где угловая частота, - волновое число

- комплексная амплитуда однородной плоской монохроматической волны, прошедшей через транспарант.
Функция пропускания дифракционной решетки представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Функция пропускания дифракционной решетки.


Функцию пропускания дифракционной решетки целесообразно представить в форме разложения в экспоненциальный ряд Фурье на апертуре :

, (6)

где угловая пространственная частота дифракционной решетки; период дифракционной решетки;



. (7)

4. Комплексная аппаратная функция решеточного спектрального прибора.


Для решения основных задач теории спектральных приборов:

  1. восстановление информации, потерянной в приборе, путем использования информации об искажающих свойствах самого прибора;

  2. нахождение таких условий работы прибора, при которых он дал бы максимальное количество информации, необходимой для решения данной конкретной задачи, иными словами, нахождения условий получения относительного максимума информации.

Для решения этих задач необходимо иметь сведения об искажающих свойствах данного прибора. Характеристикой их служит так называемая аппаратная функция, описывающая наблюдаемое спектральное распределение интенсивности излучения на выходе прибора, при подаче на вход прибора строго монохроматического излучения.

Аппаратная функция спектрального прибора определяется искажениями, вносимыми физическими свойствами его диспергирующего элемента, конечными размерами входной диафрагмы, аберрациями, инерционностью приемно - регистрирующей системы, ее шумами, и несовершенством изготовления и юстировки отдельных оптических и механических элементов прибора.

В идеальном спектральном приборе имеет место только первая причина искажений, в реальном - все остальные: поэтому рассмотрение влияния этих искажений рассматривается раздельно. Аппаратную функцию идеального спектрального прибора можно определить на основе теории основных диспергирующих элементов, применяемых в современных спектральных приборах. Знание ее дает возможность восстановить потерянную информацию не только в идеальном, но и в реальном приборе, если искажающие свойства реального прибора известны и могут быть представлены в аналитическом виде [6].
Подстановка разложения (6) в соотношение (3) дает:

. (8)

Интегрирование в последнем равенстве цепи (8) дает следующий результат:



, (9)

где


(10)

- временная спектральная частота;



(11)

- время анализа.

Из соотношений (8), (9), (10) следует выражение комплексной аппаратной функции решеточного спектрального прибора:

, (12)

где число учитываемых дифракционных порядков.

Подстановка соотношения (12) в выражение (1) дает описание комплексного аппаратурного спектра в выходной плоскости решеточного спектрального прибора:

. (13)

Функция достигает своего главного максимума при одной и той же угловой частоте в различных точках, где , при этом



. (14)

Таким образом, линейный интегральный оператор (13) определяет комплексные аппаратурные спектры в различных дифракционных порядках. Учитывая это, соотношение (10) целесообразно представить в форме:



, (15)

где и соответствуют середине полосы анализируемых частот в ом дифракционном порядке; .


С учетом цепи равенств (15) интегральный оператор (13) запишется в форме:

, (16)

где в явном виде представлена совокупность дифракционных порядков, присущих решеточному дифракционному спектральному прибору.



Заключение


В рамках решения основной задачи теории спектральных измерений - установления связи между математическим и аппаратурным спектрами определена комплексная аппаратная функция решеточного спектрального прибора, которая в явном аналитическом виде позволяет описать многопорядковый характер спектральной картины в выходной плоскости такого прибора.

Связь вход-выход (16) решеточного спектрального прибора установлена для комплексных спектральных функций частоты, что согласуется с математической теорией гармонического анализа.




Список использованных источников

1. Горелик Г.С. Колебания и волны. Введение в акустику, радиофизику и оптику. Издание второе под ред. проф. С.М. Рытова. М.: Государственное издательство физико–математической литературы. 1959. 572 с.

2.

3. Зверев В.А. Радиооптика. Преобразование сигналов в радио и оптике. М.: Советское радио.1975. 304 с.



4. Зверев В.А. Степанов Н.С. Предисловие редакторов/ Экспериментальная радиооптика. Под ред. В.А. Зверева и Н.С. Степанова. Сб. науч. статей. М.: Наука.1979. с. 6-10

5. Борн М. Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1973



6. Тарасов К.И. Спектральные приборы. Л.: Машиностроение. 1968

Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации