Оптико-электронное устройство для измерения инфракрасного излучения

Настоящее изобретение относится к области оптических приборов, применяемых для получения инфракрасных характеристик объектов при их полете на атмосферном участке траектории и может быть внедрено на предприятиях, разрабатывающих оптическую аппаратуру для измерений при проведении летных испытаний.
В настоящее время (1974 г.) для аналогичных целей находит применение радиометр, выполненный по следующей схеме: оптико-механическая система (1), приемник (2), усилительный тракт (3) и блок регистрации (4) (см. фиг. 1).
Основные требования, предъявляемые и реализуемые в таком приборе: высокая пороговая чувствительность, широкое поле зрения, высокая частота съема информации - все это достигается применением совершенной оптики, высокочувствительного фотоприемника, оптимальных схемных решений усилительного тракта.
В качестве известного технического решения можно указать инфракрасный комплекс "Агат". Конструкция его имеет ту особенность, что по мере роста излучения от объекта коэффициент усиления можно дискретно уменьшать в зависимости от визуальной оценки яркости свечения объекта, что предохраняет каналы усиления от перегрузки и способствует сохранению информации, поскольку вследствие резкого роста ошибок результаты измерений, полученные при перегрузке каналов, не обрабатываются и не учитываются.
Общим для него и заявленного устройства является наличие оптико-механической системы, приемника лучистой энергии, усилительного и регистрирующего блоков.
Такая конструкция прибора полностью себя оправдывает при измерении сигнальных характеристик объектов с высоким уровнем оптического излучения.
Однако она не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к приборам для измерения характеристик объектов на атмосферном участке траектории.
Для таких объектов характерно экспоненциальное нарастание уровня оптического излучения от единиц до тысяч киловатт.
В существующих приборах в результате компромиссных решений закладывались постоянные пороговая чувствительность и полоса усиливаемых частот, что при данном характере изменения энергетической светимости объекта приводило к частичной потере информации во всем диапазоне измерений: на высотах порядка 60÷80 км потеря сигнальной информации ввиду малой чувствительности прибора, на высотах 20±40 км. потеря сигнальной информации ввиду превышения допустимого динамического уровня сигнала (практика эксплуатации комплекса "Агат" показала, что визуальной оценке яркости сопутствует большая ошибка, что совместно с инерционностью переключения практически не позволяет получать информацию). Кроме этого недостаточная частота получения информации на высотах 20÷40 км (см.ниже) приводила к практической потере траекторной информации при измерении.
Идеальным режимом работы измерительного устройства представляется такой, когда при малых уровнях энергетического потока, учитывая незначительную скорость его нарастания, устройство работает при узкой частотной полосе, что, как известно, дает выигрыш в пороговой чувствительности, а, следовательно, и в дальности регистрации процесса. При больших уровнях энергетического потока скорость его нарастания велика, поэтому здесь необходимо повышение частоты получения информации, что связано с расширением полосы, падение же пороговой чувствительности при этом является положительным фактором, так как позволяет сузить динамический диапазон входного сигнала в измерительном приборе, что в свою очередь положительно влияет на целый ряд его параметров, в частности на точность измерений сигнальных и траекторных параметров.
Таким образом, целью данного изобретения является создание прибора с оптимальной переменной частотной полосой усиливаемого сигнала в зависимости от уровня оптического излучения, что позволяет повысить чувствительность устройства при уровнях излучения порядка единиц киловатт, сузить динамический диапазон сигнала и увеличить частоту получений информации при уровнях излучения порядка тысяч киловатт.
Из изложенного выше вытекает следующая схема работы прибора:
измеряемый сигнал, усиленный до определенного значения сравнивается с опорным в блоке анализатора, который выдает в блок управления результат для управления полосой пропускания усилителя и соответствующего изменения частоты сканирования.
Уровень опорного сигнала устанавливается до проведения измерений в зависимости от необходимого отношения сигнал/шум»
Для реализации этого принципа необходимо наличие в радиометре следующих дополнительных блоков и устройств:
- блок анализа,
- блок управления,
- исполнительный механизм,
- усилитель с управляемой полосой пропускания.
Изложенная суть изобретения проиллюстрирована блок-схемой, представленной на фиг. 1.
Оптико-механическая система (1) направляет поток энергии на приемник лучистой энергии (2). Затем сигнал усиливается усилителем с регулируемой полосой усиливаемых частот (3) и проводится его обработка в блоке анализатора (5). С выхода блока анализатора сигнал подается в блок управления для выработки управляющего сигнала (6) в усилитель (3) и на исполнительный механизм (7), осуществляющий изменение частоты сканирования оптико-механической системы (1). Для фиксации результатов измерений сигнал с выхода усилителя … (3) подается в блок регистрации (4).
При возможности одновременного наблюдения нескольких целей в блок анализа заводятся данные о выборе сигнала сравнения.
Для иллюстрации преимуществ рассмотрим следующий пример. Предположим, что имеется два измерительных устройства, одно из которых выполнено с авторегулировкой частотной полосы (Δƒ = 1 ÷ 15000 гц - частотная полоса устройства), а другое - нет (Δƒ = 50 гц). В остальном технические данные приборов следующие:
o.c.
D = 10 см - диаметр входного зрачка;
n
2
q = 1 см - площадь чувствительной площадки приемника лучистой энергии;
N = 50 - число чувствительных элементов приемника;
- отношение сигнал/шум;
- разрешающая способность система;
- коэффициент пропускания оптической системы.
Сравним дальности действия приборов, определяя ее по следующей зависимости (см. В.В. Козелкин; И.Ф. Усольцев, "Основы инфракрасной техники", "Машиностроение", 1967 г. стр. 285):
где:  - обнаружительная способность;
- пороговый поток;
- время просмотра поля обзора.
Тогда для прибора с авторегулировкой частотной полосы максимальная дальность обнаружения:
для прибора с фиксированной частотной полосой:
Откуда выигрыш в дальности обнаружения составит:
Уменьшение динамического диапазона сигнала оценим по падению обнаружительной способности:
Таким образом, динамический диапазон сигнала сузится в 17 раз, а это, в свою очередь, позволит существенно улучшить точность измерений.