光电系统设计：方法、实用技术及应用

光电系统设计：方法、实用技术及应用
出版时间： 2019年版
内容简介
　　本书基于光学、机械结构、电子、计算机、软件、控制等方面的综合一体化思路，系统论述了光电系统设计的方法与实践。全书共分12章，内容包括光电系统及其设计概要、目标与环境辐射及其工程计算、辐射大气透过率的工程理论计算、光学系统及其设计、红外凝视成像系统及其工程技术设计、CCD与CMOS及其应用系统设计、光电微弱信号处理及设计、光电系统作用距离工程理论计算及总体技术设计、太阳能光伏发电及其系统设计、光电系统软件开发与设计、光电系统结构及模块化设计、光电伺服控制系统及设计。 本书融合了作者的实际工作经验与科研成果，并融合了基础理论与工程案例。本书可供从事光电系统（装备）研究、总体论证、技术设计、研制、试验、检验等方面工作的工程技术与管理人员学习、参考，也可作为高等院校光学工程、电子科学与技术、仪器科学与技术、控制科学与工程、兵器科学与技术等相关专业的高年级本科生或研究生的教材。
目录

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光电系统的发展基础

1．3．2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技术成熟度与制造成熟度

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黑体及其基本定律

2．2．1黑体与非黑体

2．2．2普朗克定律

2．2．3斯忒藩玻耳兹曼定律

2．2．4维恩位移定律

2．2．5朗伯余弦定律

2．3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、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、朗伯扩展源产生的辐照度

2．4．2成像系统像平面的照度

2．5非规则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大气分子与微粒的散射

3．8与气象条件有关的衰减

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电子技术的发展

4．1．5光学仪器的类别

4．1．6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各种镜头的设计差别

4．5．3数码相机的镜头焦距与光学镜头

4．5．4新型光学系统类型及其设计差别

4．6可见光光学系统设计示例： 用于可见光电视导引头的摄像物镜设计

4．6．1光学性能指标

4．6．2光学系统的结构

4．6．3设计结果

4．6．4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红外凝视成像系统的工作原理

5．3．1红外凝视成像系统的组成和工作原理

5．3．2红外热成像系统性能评价的常用指标

5．3．3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系统总体对红外传感器提出的功能及性能指标要求

5．9．1主要功能

5．9．2红外传感器的性能

5．10红外传感器的工作原理与组成

5．10．1红外传感器的工作原理

5．10．2红外传感器的组成

5．11红外探测器件及物镜光学参数选取

5．11．1红外探测器组件的选取

5．11．2物镜光学系统的设计考虑及参数选取

5．11．3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摄像机分类与例示

6．5．1CCD摄像机分类

6．5．2CCD摄像机例示

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紫外目标探测弱信号处理方法示例

7．3．1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设计开发的验证

10．3．5设计开发的确认

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

11．2结构总体设计

11．2．1结构总体布局

11．2．2模块尺寸及总体尺寸的确定

11．2．3结构形式确定

11．2．4热设计方案的确定

11．2．5抗振抗冲击

11．2．6电磁兼容性设计

11．2．7密封性设计

11．3模块化设计

11．3．1模块

11．3．2模块特征

11．3．3模块分类

11．3．4模块化与标准化的关系

11．3．5光电装备模块化结构体系

11．4优化设计

11．4．1价值工程设计

11．4．2设计优化

11．4．3计算机辅助设计技术

11．4．4抗恶劣环境优化设计

11．5光电跟踪指向器结构设计示例

11．5．1结构总体设计考虑

11．5．2指向器重量计算

11．5．3俯仰轴校核

11．5．4方位轴校核

11．5．5指向器精度计算

11．5．6指向器固有频率计算

11．5．7指向器尺寸链计算

11．5．8激光器散热分析

11．5．9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跟踪系统的基本技术问题

12．6．3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