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經典的標量反射理論最初是1678年惠更斯提出的,1818年菲涅耳引入干涉的概念補充了惠更斯原理。惠更斯—菲涅爾提出的子波干涉原理與基爾霍夫求解波動方程所得的結果十分一致,都可以表示成類似的反射公式。 光源和接受屏或二者之一距離反射屏為有限遠時,所觀察到的反射為菲涅爾反射

1 菲涅爾反射 -簡介

  菲涅爾反射
  「菲涅爾」是一個人的名字,因為他發現了一個有關反射的光學現象,這個現象就用這個人的名字命名了。那麼,是什麼現象呢?
  這就是反射/折射與視點角度之間的關係。
  如果你站在湖邊,低頭看腳下的水,你會發現水是透明的,反射不是特彆強烈;如果你看遠處的湖面,你會發現水並不是透明的,但反射非常強烈。這就是「菲涅爾效應」。
  簡單的講,就是視線垂直於表面時,反射較弱,而當視線非垂直表面時,夾角越小,反射越明顯。如果你看向一個圓球,那圓球中心的反射較弱,靠近邊緣較強。不過這種過度關係被折射率影響。
  如果不使用「菲涅爾效應」的話,則反射是不考慮視點與表面之間的角度的。
  注意,在真實世界中,除了金屬之外,其它物質均有不同程度的「菲涅爾效應」。
  所謂菲涅爾反射就是用波動的理論來解釋光的反射。
  主要包括一些電磁場的邊界傳輸條件,比如P矢量和S矢量的反射,菲涅爾用波動學說第一次從本質上解釋了光的傳播,而之前人們只能從宏觀上進行試驗,無法從微觀的理論上獲得支持。然而缺少微觀理論支持的定律總是空虛的,隨時都可能被推翻的。

2 菲涅爾反射 -菲涅爾反射

  光時域反射儀 光時域反射儀檢測方法
  海底通信光纜(以下簡稱海纜)通信具有通信質量穩定可靠,保密性好,隱蔽性好,抗毀、抗干擾能力強等特點,無論是平時,還是戰時,作為跨海通信手段,都具有其它任何通信手段所無法替代的優勢。隨著海纜在全球範圍內的廣泛使用和上百萬公裏海纜線路的鋪設,大容量海纜系統在現代社會的信息超高速公路中扮演了非常重要的角色。海纜故障對社會的影響是很大的,因此故障點必須儘可能快速修復,要做到這一點,故障點必須快速準確的定位,但是一旦海纜系統發生故障,在茫茫大海中,從深達幾百米,甚至幾千米的海床上打撈起直徑不到10cm的海纜,就如問大海撈針,因而海纜故障的定位及維修有很強的特殊性。
  許多原來應用於陸地光纜的維護測試方法已經不再適用。在海纜維修、維護整個過程中,故障點的測量和海纜故障點精確定位是關鍵技術。故障的定位有兩個內容:一是從岸端測試海纜故障點的距離;二是在海上對故障點進行精確定位。
  二、海纜故障點的測量
  海纜故障點的探測方法很多,常用的方法有光時域反射儀(OTDR)測試法、電壓測試法、電容測試法、音頻測試法、線路監控系統測試法。
  (一)OTDR測試法
  光時域反射儀(OTDR)通過發送光脈衝進入輸入光纖,由於受到散射粒子的散射,或遇到光纖斷裂面產生菲涅爾反射,利用光束分離器將其中的菲涅爾反射光和瑞利背向散射光送入接收器,再變成電信號並隨時間的變化在示波器上顯示, 探測故障時,利用OTDR中的定時裝置可以測出從脈衝發出到脈衝返回的時間t,假設光纖纖芯的折射率為n,真空中的光速為c,則斷點與測量點的距離L為:
  這種方法雖然精度高,但只能測試從海纜岸端的終站或始站(以下簡稱海纜站)到第一個光中繼器之間的海纜線路,或是無中繼段的海纜段。
  (二)光時域反射儀電壓測試法
  光時域反射儀電壓測試法是通過一個恆流供電電源,得到海纜站到故障點間的電位差,由電壓與電流之比可得到從海纜站到故障點間的電阻,從而得到海纜站與故障點之間的距離L,即:Uo為故障發生時海纜供電設備(PFE)上的輸出電壓(V);n為中繼器的數量;UR為中繼器的壓降(V);m為分支器的數量;U。為分支器的壓降(V);I為海纜的恆定供電電流(A);R為海纜單位長度的電阻(Ω/km)。
  在實際使用中,只需將已知的海纜系統故障時的電壓、電流和電阻(其中中繼器和分支器的電壓可參考設備廠提供的產品技術參數)代人式(l),就可得到海纜故障點的大致距離。由於式(1)未考慮故障點的大地電阻值,而且每個故障點的電阻值也各不相同,因此這種測試方法的測試必然存在較大的誤差。 (三)光時域反射儀電容測試法
  光時域反射儀電容測試法是通過測試海纜站到故障點之間的供電導體(銅導體)和接地體(海水、大地)電容,將測試的電容值與海底光纜出廠時的參數柑比較后,即可得到故障點與測試點之間距離L:
  式中,n1為中繼段的數量(無中繼器時n1=0);Lc為每個中繼段的海底光纜長度(km);Cx為電容的測試值(μF);Cc為海底光纜單位長度的電容值(μF/km)。
  (四)光時域反射儀音頻測試法
  光時域反射儀 音頻測試法是將一持續音頻電脈衝從海纜一端的供電導體輸入,維修船可用探測儀追蹤此信號,沿海纜探測,在故障點處,由於供電導體與海水的接地,測試脈衝信號消失,從而得到故障點位置。這種方法更多地用於維修船在故障發生的水域尋找海纜。這種方法的測試範圍一般小於300km。
  (五)光時域反射儀線路監控系統測試法
  光時域反射儀線路監控系統測試法是利用線路監控設備周期性地對所有的中繼器進行測試並與紀錄進行比較,當一個中繼段內的光纜發生故障使光纖受到輕微損傷或斷裂時,線路監控設備會立刻顯示中繼器中相應的指標變化的狀況,即可自動告警。這種方法的測試範圍是一個中繼段。

3 菲涅爾反射 -菲涅爾透鏡

  菲涅爾透鏡又稱階梯鏡,即有"階梯"形不連續表面組成的透鏡。"階梯"由一系列同心圓環狀帶區構成,又稱環帶透鏡。通過菲涅爾透鏡觀察遠處的物體,則物體的像是倒立的,而觀察近處的物體時會產生放大效果。
  菲涅爾透鏡作用有兩個:一是聚焦作用,即將熱釋紅外信號折射(反射)在PIR上,第二個作用是將探測區域內分為若干個明區和暗區,使進入探測區域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號。
  菲涅爾透鏡,簡單的說就是在透鏡的一側有等距的齒紋.通過這些齒紋,可以達到對指定光譜範圍的光帶通(反射或者折射)的作用.傳統的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴。菲涅爾透鏡可以極大的降低成本。典型的例子就是PIR(被動紅外線探測器)。PIR廣泛的用在警報器上。如果你拿一個看看,你會發現在每個PIR上都有個塑料的小帽子。這就是菲涅爾透鏡。小帽子的內部都刻上了齒紋。這種菲涅爾透鏡可以將入射光的頻率峰值限制到10微米左右(人體紅外線輻射的峰值)。成本相當的低。
  菲涅爾透鏡的種類很多,其幾何形狀、探測角、焦距及用
  途也不盡相同。常用的菲涅爾透鏡可大致歸納為以下幾類。
  1.長方形透鏡。是常用普通型透鏡。如0—6型尺寸為68X
  38mm,焦距為29mm,水平角12Oo,垂直角8O。,探測距離
  大於1Om;0—1A型尺寸為58.8X 45mm,水平角85。,垂直角450。探測距離大於1Om。
  2.半球狀透鏡。適合吊頂安裝,若設計成小型探測器,
  4—56可作吊頂武自動燈、自動門等。如:Q-8型半球形透鏡,直徑為24mm,水平探測角1 00。,垂直探測角60。,探測距離3— 5m;另外,還有RS-8型半球狀透鏡等。
  3.水平薄片形。這類透鏡設計獨特,如:SC一62型透鏡,
  探測區域是兩個水平1o0o、垂直1.91。的窄平面,對應兩
  個高精度感測器,特別適合對某一水平高度進行監測;SC一82型透鏡,水平角140o,垂直角12。,用它組成的探測器可避免地面小動物活動產生的干擾。由於這類透鏡水平角特別大,垂直角特別小。故適合於特殊場合的探測。
  4.光束式透鏡。如:BS-05型透鏡的水平角僅5。,可形成一束細長的探測區.其探測距離遠,有效距離可達30m以上,適用於走廊、長通道等長距離、小角度的應用場合。
  5.抗燈光干擾型。通用型透鏡普遍採用聚乙烯材料制
  作,由於其透明度較高,易受強光源干擾產生誤動作。為了提高透鏡的抗干擾能力,在製作材料中加入某些添加劑,製成乳白色或黑色透鏡,其中以黑色最為理想。經實際測試,如果配以雙脈衝標準線路,其抗燈光干擾指標可達到10000Lx(勒克斯),遠遠超過國家標準。黑色透鏡如8S一94V3,乳白色透鏡有0X一1、QX-1A等。

4 菲涅爾反射 -「菲涅爾」透鏡光學助降系統

設計起源

  二戰後,英美航空母艦艦載機大量裝艦。可是這些艦載機著艦時,要降落在短而窄的斜角甲板上,不是一件很容易的事情。常常由於航母的甲板太小、太窄,飛行員因著艦點選擇不好而出事。如果著艦點太靠前,飛機
「菲涅爾」透鏡光學助降系統
容易衝出艦甲板,甚至掉入海里;如果太靠後,飛機又可能與艦艉相撞。
  為了解決這個令人頭痛的問題,英美海軍只好挑選一些專職引導員在航母甲板上利用信號旗引導飛機著艦。這要求引導員既有豐富的指揮經驗,又有很強的目測能力。然而,事故仍然接踵而至。英美海軍有關當局不得不另尋方法。
  1952年,英國海軍中校格特哈特從女秘書對著鏡子搽口紅的動作中得到啟發,設計出了早期的光學助降裝置——助降鏡。它是一面大麴率反射鏡,設在艦尾的燈光射向鏡面再反射到空中,給飛行員提供一個光的下降坡面(與海平面夾角為3.5~4度),飛行員沿著這個坡面並以飛機在鏡中的位置修正誤差,直到安全降落。
  但是,這種光學助降鏡只是一定程度上起了作用,新的問題又來了:航母的艦體會因海濤涌浪的起伏而升沉搖擺,反射鏡射出的光很不穩定,因此仍免不了時有事故發生。
  60年代,英國又發明了更先進的「菲涅爾」透鏡光學助降系統,它在原理上與助降鏡相似,也是在空中提供一個光的下滑坡面,但這提供的信號更利於飛行員判斷方位,修正誤差。 美國於1960年在「富蘭克林」號航母上正式安裝了第一部。 整體結構與工作原理

  該系統設在航母中部左舷的一個自穩平台上,以保證其光束不受艦體左右搖擺的影響。它由4組燈光組成,主要是中央豎排的5個分段的燈箱,通過菲涅爾透鏡發出5層光束,光束與降落跑道平行,和海平面保持一定角
「尼米茲」級的「菲涅爾」透鏡光學助降系統
度,形成5層坡面。每段光束層高在艦載機進入下滑道的入口處(距航母0.75海里)為6.6米,正中段為橙色光束,向上、向下分別轉為黃色和紅色光束,正中段燈箱兩側有水平的綠色基準定光燈。當艦載機高度和下滑角正確時,飛行員可以看到橙色光球正處於綠色基準燈的中央,保持此角度就可以準確下滑著艦。如飛行員看到的是黃色光球且處於綠色基準燈之上,就要降低高度;如看到紅色光球且處於綠色基準燈之下,那就要馬上升高,否則就會撞在航母尾柱端面或降到尾后大海中。
  在中央燈箱左右各豎排著一組紅色閃光燈,如果不允許艦載機著艦,它發出閃光,此時綠色基準燈和中央燈箱均關閉,告訴飛行員停止下降立即復飛,因此被稱為「復飛燈」。復飛燈上有一組綠燈,叫做切斷燈,它打開即是允許進入下滑的信號。操作方法

  這些燈光由著艦引導員(LSO)控制,他們在艦後部左舷LSO平台上,分工觀察著艦機的位置、起落架、襟翼、尾鉤等的情況,一面與飛行員通話,一面操縱燈光信號。在艦島上部左側後部設有主飛行控制室,一名飛控官監視著飛行甲板和空中的情況,對著艦機的安全進行最後把關。在美國航母上,飛控官由老資格的中校級飛行員擔任,並配有一名少校做為助手。
  當不允許艦載機著落時,左右兩側紅色燈發出閃光,綠色水平基準燈不亮;當允許艦載機著落時,紅色燈則不亮,綠色基準燈發出固定光,「菲涅爾」透鏡也同時發光。它發出的光要比綠色基準燈強,而且上下不同位置的透鏡發出的定向光束各代表一種下滑角。黃色光是高的下滑坡面,紅色光是一個低的下滑坡面,橙色光是正確的下滑坡面。艦載機飛行員下滑時,如果看到的是橙色光,就可以準確地著艦了;如果看到的是黃色光束,說明艦載機下滑角太大;如果看到了紅色光束,則說明艦載機下滑角太小。
  「菲涅爾」透鏡式助降鏡使用簡單可靠、目視直觀,一問世便為英美等國航空母艦普遍使用。但是,它卻有個最大的缺點:遇到陰雨霧雲,常常顯得「力不從心」,無法可靠地幫助降落。 為此,美國海軍又開始在航母上安裝雷達助降系統,即全天候自動著艦系統。這套系統由艦載設備和機載設備聯合組成。當艦載機準備著艦時,先由「塔康」空中戰術導航儀引導,然後由艦載盲目著艦雷達精密跟蹤,將觀測到的艦載機飛行數據傳至艦載數據處理機;數據處理機適時求出艦載機的航線,並與規定的航線相比,得出糾正數據,後由指令發信機發出。艦載機上的指令接收機收到信息后,就可以指揮自動駕駛儀和耦合器操作艦載機進入規定航線了。
  不過,雷達助降系統還是有與生懼來的缺點———易受電子干擾。這又使得一些海軍專家開始琢磨和研製效果更好的電視助降裝置系統、激光助降裝置系統等。拿電視助降裝置為例,該系統可供飛機日夜著艦作業,不停地監視和記錄著艦情況,並向助降軍官提供飛機著艦時最合適的調整航線信息。它與其他助降裝置系統配合使用,可互相取長補短,獲得最好的效果。
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