光电系统设计——方法、实用技术及应用(第2版)

第1章光电系统及其设计概要 1.1光电系统的界定、基本组成及设计 1.1.1光电系统的界定 1.1.2光电系统的基本组成 1.1.3设计概述 1.2光电系统的分类及应用 1.2.1光电系统的分类 1.2.2光电系统的应用 1.3光电系统的发展基础及制约因素 1.3.1光电系统的发展 1.3.2光电系统的发展基础 1.3.3光电技术及系统发展的主要制约因素 1.4光电系统设计思想的转变 1.5光电系统设计流程与考虑因素 1.5.1光电系统设计流程及结果 1.5.2光电系统设计考虑因素 1.6光电系统总体技术与总体设计 1.6.1光电系统总体技术研究 1.6.2光电系统总体设计 1.6.3光电系统总体优化设计 1.7光电系统工程方法 1.7.1技术成熟度和制造成熟度 1.7.2系统工程的核心思想 1.7.3产品开发技术过程 1.7.4产品分析方法 1.7.5产品成熟度快速提升模型 1.8光电产品工程设计控制程序 1.8.1设计输入控制 1.8.2设计过程控制 1.8.3设计输出控制 1.8.4设计更改控制 1.8.5技术服务和记录 1.8.6新产品设计试制进程 1.9光电产品设计图样文件技术要求 1.9.1产品图样及设计文件的完整性 1.9.2设计文件的内容及要求 1.10光电系统设计与仿真软件 第2章目标与环境辐射及其工程计算 2.1光辐射与度量 2.1.1光辐射及其红外辐射 2.1.2光度量和辐射度量 2.2绝对黑体及其基本定律 2.2.1绝对黑体与非黑体 2.2.2普朗克定律 2.2.3斯特藩玻耳兹曼定律 2.2.4维恩位移定律 2.2.5朗伯余弦定律 2.2.6色温、亮温与全辐射温度 2.3辐射源及特性形式分类 2.3.1辐射源分类 2.3.2辐射源特性形式 2.4点源、小面源、线源、朗伯扩展源及成像系统像平面的辐照度 2.4.1点源、小面源、线源产生的辐照度 2.4.2朗伯扩展源产生的辐照度 2.4.3成像系统像平面的辐照度 2.5非规则辐射体的辐射通量计算及目标面积的取法 2.5.1非规则辐射体的辐射通量计算 2.5.2辐射计算中目标面积的取法 2.6目标与环境光学特性的分类及特点 2.6.1空间目标与深空背景 2.6.2空中目标与天空背景 2.6.3地面目标与地物背景 2.6.4海面目标与海洋背景 2.7环境与目标光辐射特性 2.7.1天体背景光辐射特性 2.7.2太阳光辐射特性 2.7.3天空背景光辐射特性 2.7.4海洋背景光辐射特性 2.7.5自然辐射源与目标辐射源 2.8目标辐射的简化计算程序 第3章辐射大气透过率的工程理论计算 3.1地球大气的组成与结构及其辐射吸收作用 3.1.1地球大气的组成 3.1.2大气层结构 3.1.3大气的辐射吸收作用 3.2大气衰减与透过率 3.3大气中辐射衰减的物理基础 3.4大气透过率数据表 3.5海平面上大气气体的分子吸收 3.6不同高度时的分子吸收修正问题 3.6.1吸收本领随高度而改变所引起的修正 3.6.2分子密度随高度而改变所引起的修正 3.6.3纯吸收时的透过率计算方法 3.7大气的散射衰减 3.7.1散射系数 3.7.2大气分子与微粒的散射 3.7.3大气散射系数的经验计算法 3.8与气象条件（云、雾、雨、雪）有关的散射衰减 3.9平均透过率与积分透过率的计算方法 3.9.1平均透过率的计算方法 3.9.2积分透过率的计算方法 3.10计算示例 3.11激光辐射在大气中的传输及计算方法 3.11.1线性传输效应及计算方法 3.11.2非线性传输效应(热晕) 3.12部分相干辐射在大气中的传输 3.13几种大气辐射传输计算软件应用比较分析 第4章光学系统及其设计 4.1光学仪器及其发展 4.1.1光学理论的发展 4.1.2新设计的发展 4.1.3新材料、新工艺、新器件的发展 4.1.4先进光学薄膜技术的发展 4.1.5先进光学检测与调整技术的发展 4.1.6高精度非球面(自由曲面)组件先进制造技术的发展 4.1.7先进光学与结构材料的发展 4.1.8电子技术的发展 4.1.9光学仪器的类别 4.1.10光学仪器发展简史及其发展趋势 4.2光学设计及其发展 4.2.1光学设计概述 4.2.2光学设计的主要过程和基本步骤 4.2.3像差与光学设计过程 4.2.4光学系统设计要求 4.2.5光学设计的发展概况 4.3应掌握的光学设计基础 4.4光线追迹及像差校正的常用方法 4.4.1光线追迹概述 4.4.2光学系统的像差概述 4.4.3像差校正的常用方法 4.5光学设计的大致类型及各类镜头的设计差别 4.5.1光学设计的大致类型 4.5.2光学镜头的分类 4.5.3各种镜头的设计差别 4.5.4数码相机的镜头焦距与光学镜头 4.5.5新型光学系统类型及其设计差别 4.6基于谐衍射与自由曲面的离轴三反设计示例： 机载红外双波段成像光学系统设计 4.6.1系统主要技术要求 4.6.2自由曲面与谐衍射元件设计理论基础 4.6.3光学系统初始结构选型 4.6.4光学系统材料选择 4.6.5宏语言优化控制和像质评价 4.6.6公差分析 4.6.7设计结果 4.6.8结论 4.7非成像光学系统设计示例： 太阳能采集用1000mm口径菲涅耳透镜设计 4.7.1菲涅耳透镜结构 4.7.2主要技术指标要求 4.7.3设计计算过程 4.7.4设计结果分析与讨论 4.8光机一体化设计示例： 某型红外成像光学系统工程设计 4.8.1使命任务 4.8.2设计特点 4.8.3设计思路 4.8.4设计依据 4.8.5主要功能与性能要求 4.8.6系统组成与接口 4.8.7工作原理 4.8.8光学系统的设计 4.8.9遮光罩的设计 4.8.10主体机械结构设计 4.8.11关重件特性分析 4.8.12可靠性与电磁兼容性设计 4.8.13标准化执行情况 4.8.14系统主要技术指标计算(系统设计计算) 4.8.15设计结果与分析 4.8.16设计输出文件 第5章红外凝视成像系统及其工程技术设计 5.1热成像技术特点 5.2红外凝视成像技术的发展 5.3红外凝视成像系统 5.3.1红外凝视成像系统的组成和工作原理 5.3.2红外光学材料 5.3.3红外热成像系统性能评价的常用指标 5.3.4凝视成像系统的优点 5.4IRFPA非均匀性产生的原因及其校正技术 5.4.1红外焦平面非均匀性产生的原因 5.4.2红外焦平面NUC方法 5.4.3四种算法的优点和缺点 5.4.4三种新算法 5.4.5非均匀性表示方法 5.5红外凝视系统中的微扫描技术 5.5.1红外成像过程 5.5.2微扫描 5.5.3非均匀微扫描 5.6热像仪产品选例 5.7红外传感器工程设计出发点及分析 5.8红外工作波段的选取分析 5.8.1光谱辐出度 5.8.2光谱辐射对比度 5.8.3光谱辐射对比度极值波长 5.8.4两个红外波段的实际比较 5.9红外光学系统无热化设计方法 5.10系统总体对红外传感器提出的功能及性能指标要求 5.10.1主要功能 5.10.2红外传感器的性能 5.11红外传感器的工作原理与组成 5.11.1红外传感器的工作原理 5.11.2红外传感器的组成 5.12红外探测器件及物镜光学参数选取 5.12.1红外探测器组件的选取 5.12.2物镜光学系统的设计考虑及参数选取 5.12.3物镜的温度补偿 第6章CCD和CMOS及其应用系统设计 6.1CCD的基本原理及其主要性能指标 6.1.1CCD器件的基本原理 6.1.2CCD传感器的主要性能指标 6.2CCD成像器件与真空摄像管的比较 6.3CMOS传感器的基本原理及其主要性能指标 6.3.1CMOS的基本原理 6.3.2CMOS传感器的主要性能指标 6.4CCD和CMOS传感器的比较及发展趋势 6.4.1制造工艺的差异 6.4.2性能差异 6.4.3CCD与CMOS的发展趋势 6.5CCD摄像机分类与示例 6.5.1CCD摄像机分类 6.5.2CCD摄像机示例 6.6CCD的工程技术应用 6.6.1CCD的七个主要应用领域 6.6.2尺寸测量 6.6.3工件表面质量检测 (粗糙度、伤痕、污垢) 6.7CCD图像传感器在微光电视和紫外成像系统中的应用 6.7.1CCD图像传感器在微光电视系统中的应用 6.7.2CCD图像传感器在紫外成像系统中的应用 6.7.3存在的问题及解决途径 6.8高灵敏度CCD光电信号检测系统设计示例 6.8.1光电信号检测系统的组成 6.8.2高性能CCD简介 6.8.3CCD输出信号的预处理 6.8.4A/D转换 6.8.5微控制器 第7章光电微弱信号处理及设计 7.1微弱信号检测概述 7.2微弱信号检测的基本理论 7.2.1微弱信号的基本知识 7.2.2微弱信号检测的理论方法 7.2.3提高微弱信号检测能力的途径 7.3紫外目标探测微弱信号处理方法示例 7.3.1微弱信号自适应处理 7.3.2滤波性能评价 7.3.3仿真计算与结果分析 7.4基于FPGA的紫外通信微弱信号放大器设计示例 7.4.1放大器技术指标、组成与工作原理 7.4.2预放电路设计与仿真 7.4.3A/D转换 7.4.4数字滤波的设计及仿真 7.4.5设计结果分析 第8章光电系统作用距离工程理论计算及总体技术设计 8.1红外系统的作用距离计算 8.1.1方程一般形式推导 8.1.2背景限制探测器的一般作用距离方程式 8.1.3特殊系统的作用距离方程式 8.2脉冲激光测距系统的作用距离计算 8.2.1激光测距公式 8.2.2脉冲式激光测距仪测距方程式 8.3电视跟踪仪的作用距离计算 8.3.1电视跟踪仪的作用距离计算(一) 8.3.2电视跟踪仪的作用距离计算(二) 8.3.3电视跟踪仪的作用距离计算(三) 8.4微光电视的作用距离计算 8.5光纤通信系统的作用距离计算 8.6总体技术设计与示例 8.6.1预先分析与研究 8.6.2系统初步设计 8.6.3综合权衡研究和系统*终设计 第9章太阳能光伏发电及其系统设计 9.1太阳能发电概述 9.2光伏发电历史及应用领域 9.2.1光伏发电历史 9.2.2应用领域 9.3太阳能电池 9.4太阳能光伏发电系统的组成 9.4.1太阳能电池板 9.4.2充电控制器 9.4.3蓄电池 9.4.4逆变器 9.4.5太阳能供电系统的特点及类型 9.4.6独立光伏发电系统 9.4.7并网光伏发电系统 9.5太阳能光伏发电系统的设计方法 9.5.1一般工程设计步骤 9.5.2设计因素分析 9.5.3常用设计方法 9.5.4成本核算 9.6住宅用太阳能光伏系统简易设计示例 9.6.1设计步骤 9.6.2设计条件 9.6.3太阳能电池阵列设计 9.710kW太阳能并网发电系统设计示例 9.7.1并网发电系统的组成 9.7.210kW太阳能并网发电系统的设计 9.7.3并网逆变器 9.7.4配电室设计 9.7.5防雷 9.7.6系统建设及施工 9.7.7设备安装部分 9.7.8检查和调试 9.7.9并网电站建设流程图 9.7.10并网发电系统配置表 9.7.1110kW并网发电系统光电场配套图纸 9.8太阳能和风能一体化发电系统设计示例 9.8.1太阳能与风能一体化发电系统 9.8.2风光互补发电系统的组成和分类 9.8.3风力发电机 9.8.4风光互补发电系统的设计方法 9.8.5离网户型风光互补发电系统的设计 9.8.6系统*终设计方案 9.8.7系统性能分析 9.9太阳能光伏/光热综合利用的温控系统设计示例 9.9.1温控系统的组成及工作原理 9.9.2设计指标 9.9.3系统设计 9.9.4光学薄膜仿真 第10章光电系统软件开发与设计 10.1软件开发程序流程及文档 10.1.1进程管理的目的和要求 10.1.2开发情况检查 10.2软件设计概述 10.3软件设计开发控制程序 10.3.1设计和开发的输入 10.3.2设计和开发的输出 10.3.3设计和开发的评审 10.3.4设计和开发的验证 10.3.5设计和开发的确认 10.3.6设计和开发的更改 10.4嵌入式软件及其设计 10.4.1嵌入式软件的概念及特点 10.4.2嵌入式软件的分类 10.4.3嵌入式软件的体系结构 10.4.4嵌入式软件的设计流程 10.4.5嵌入式系统的硬件结构 10.4.6嵌入式系统的软件结构 10.4.7嵌入式软件的开发流程 10.5软件设计示例 10.5.1系统硬件组成分析 10.5.2系统软件设计 第11章光电系统结构及模块化设计 11.1结构设计与工艺概述 11.1.1光电电路设计与结构设计的概念 11.1.2光电产品结构设计与工艺的内容 11.1.3光电产品结构设计与工艺的任务 11.1.4光电产品的装配及其工艺过程 11.2结构总体设计 11.2.1结构设计要求 11.2.2结构设计程序 11.2.3基准选择和尺寸标注 11.2.4光学零件的结构设计 11.2.5结构总体布局 11.2.6模块尺寸及总体尺寸的确定 11.2.7结构形式确定 11.2.8热设计方案的确定 11.2.9抗振抗冲击 11.2.10电磁兼容性设计 11.2.11密封性设计 11.2.12尺寸链计算 11.2.13精度设计 11.3光学零件固紧设计 11.3.1圆形光学零件固紧结构设计 11.3.2非圆形光学零件固紧结构设计 11.3.3光学零件的胶接固定 11.4模块化设计 11.4.1模块与模块化 11.4.2模块特征 11.4.3模块分类 11.4.4模块化与标准化的关系 11.4.5光电装备模块化结构体系及设计示例 11.5优化设计 11.5.1价值工程设计 11.5.2结构设计优化 11.5.3计算机辅助设计技术 11.5.4抗恶劣环境优化设计 11.6光电跟踪指向器结构设计示例 11.6.1结构总体设计考虑 11.6.2指向器重量计算 11.6.3俯仰轴校核 11.6.4方位轴校核 11.6.5指向器精度计算 11.6.6指向器固有频率计算 11.6.7指向器尺寸链计算 11.6.8激光器散热分析 11.6.9电磁兼容性的具体要求与设计措施 第12章光电伺服控制系统及其设计 12.1自动控制基础 12.1.1自动控制的基本概念 12.1.2开环控制方式 12.1.3反馈控制方式 12.1.4复合控制方式(开环控制 闭环控制) 12.1.5自动控制系统的分类 12.2控制系统的基本要求与性能指标 12.2.1控制系统的基本要求 12.2.2控制系统的性能指标 12.3控制系统设计的基本问题 12.4控制系统的设计方法 12.5光电伺服系统 12.5.1结构组成与分类 12.5.2技术要求 12.5.3执行元件 12.5.4光电跟踪伺服系统及其控制技术的发展趋势 12.6光电跟踪控制系统 12.6.1跟踪控制系统主要性能指标提出的依据 12.6.2目标特性分析 12.6.3跟踪系统的基本技术问题 12.6.4捕获的技术要求与影响目标捕获的主要因素 12.6.5捕获跟踪的视场及响应时间 12.6.6捕获跟踪系统的统计分析 12.6.7高精度控制技术 12.7光电跟踪伺服系统设计示例 12.7.1主要性能指标 12.7.2光电跟踪伺服系统的总体结构 12.7.3伺服控制系统的方案设计 12.7.4负载力矩及相关主要部件选型 12.7.5系统总体计算 12.8光电跟踪伺服系统的建模与仿真示例 12.8.1伺服系统的工作原理与结构 12.8.2伺服系统主要部件的数学模型 12.8.3环路建模仿真 12.9机械结构因素对光电跟踪伺服系统性能的影响 12.9.1转动惯量与伺服系统性能的关系 12.9.2结构谐振频率与伺服系统性能的关系 12.9.3摩擦力矩与伺服系统性能的关系 12.9.4消除或减小机械谐振的措施 参考文献