УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ И ВЗРЫВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИПЕРСПЕКТРОМЕТРИИ И СКОРОСТНОЙ ФОТОСЪЕМКИ

Заявляемая полезная модель относится к устройству дистанционного изучения процессов горения и взрыва. Изучение процессов при горении и взрыве представляет собой актуальную задачу, как с точки зрения теории, так и в практических приложениях.
Для дистанционного изучения процессов горения и взрыва уже использовался гиперспектральный сенсор. Так в работе [Калинин А.П., Трошин К.Я., Орлов А.Г.. Родионов А.И. Гиперспектрометр как система контроля и изучения процессов горения и взрыва, Датчики и системы, 2008, №12, с. 19-21] продемонстрирована возможность изучения процессов горения и взрыва с помощью дистанционного гиперспектрального зондирования. Гиперспектрометр обеспечивал возможность изучения спектров возникающего излучения в широком диапазоне длин волн и с высоким спектральным и пространственным разрешением. Кроме того, гиперспектральный сенсор позволял измерять временную зависимость спектров излучения при горении и взрыве.
Кроме того для дистанционного изучения процессов горения и взрыва использовался метод скоростной цветной фотосъемки для изучения инициированного искрой воспламенения смесей пропана и пентана с воздухом (Набоко И.М., Рубцов Н.М., Сеплярский Б.С., Трошин К.Я., Цветков Г.И., Черныш В.И. «Изучение инициированного искрой воспламенения смесей пропана и пентана с воздухом методом скоростной цветной киносъемки». 2011. // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. Том 12. http//www.chemphys.edu.ru/pdf/2011-12-23-002.pdf]. Этот метод позволяет визуализировать распространение фронта пламени и обнаруживать особенности процессов горения, в частности, таких как появление ярких горячих точек или же переход гладкого фронта пламени в ячеистую структуру и т.п.
Однако каждый из этих методов по отдельности имеет свои недостатки. Так по гиперспектральным измерениям достаточно сложно судить о распространении фронта пламени, обнаруживать особенности процесса горения (например, обнаруживать ячеистые структуры). Применение же только цветной скоростной фотосъемки позволяет визуализировать распространение фронта пламени и обнаруживать особенности процесса горения, но не позволяет судить о химическом составе продуктов горения и динамики состава во времени и пространстве.
Известен гиперспектрометр, содержащий блок входной телескопической системы, включающий установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив, щелевую диафрагму, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, коллиматор и оптоэлектронный блок, имеющий выходной объектив и фотоприемное устройство с матрицей (Патент RU №130699 «АВИАЦИОННЫЙ ГИПЕРСПЕКТРОМЕТР», МПК G01J 3/02, опубл. 27.07.2013).
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего преодоление недостатков, возникающих при использовании только гиперспектрометра или только скоростной видеокамеры, повышение информативности дистанционного изучения процессов горения, обеспечение синергетического эффекта от одновременного использования гиперспектральной и скоростной цветной видеосъемки.
Техническим результатом полезной модели является создание устройства, обеспечивающего дистанционное изучение процессов горения и взрыва с одновременным получением как качественной, так и количественной информации о протекающих процессах.
Поставленные техническая задача и результат достигаются в результате того, что в устройстве для дистанционного изучения процессов горения и взрыва с использованием гиперспектрометрии и скоростной фотосъемки, имеющем гиперспектрометр, содержащий блок входной телескопической системы, включающий установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив, щелевую диафрагму, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, коллиматор и оптоэлектронный блок, имеющий выходной объектив и фотоприемное устройство с матрицей, фотоприемное устройство гиперспектрометра подключено к блоку системы управления и обработки данных устройства, дополнительно установлена скоростная видеокамера, которая также подключена к блоку системы управления и обработки данных устройства, причем гиперспектрометр и видеокамера размещены на вращающейся платформе, позволяющей наводить поля зрения гиперспектрометра и видеокамеры в нужном направлении. В качестве видеокамеры может быть использована камера INTEVAK MICRO VISTA UV1, имеющая матрицу CMOS, а в качестве гиперспектрометра целесообразно использовать гиперспектрометр, работающий по принципу «push broom».
Это устройство может быть использовано как в лабораторных условиях, когда изучаемые процессы горения и взрыва происходят в установке, снабженной иллюминатором, пропускающим нужный диапазон длин волн, так и в натурных условиях.
Существо полезной модели поясняется на представленных фигурах.
Фиг. 1. Схема гиперспектрометра, который может быть применен в предлагаемой полезной модели.
Фиг. 2. Схема предлагаемого устройства.
Фиг. 3. Схема получения гипеспектральных данных.
Фиг. 4. Схема формирования кадров скоростной цветной видеокамеры.
Фиг. 5. Экспериментальные данные, полученные при изучении процесса горения.
Предлагаемое устройство (Фиг. 1) снабжено гиперспектрометром 1, который имеет (Фиг. 2) входной блок, содержащий входную телескопическую систему, включающую установленные на одной оптической оси по ходу лучей входной объектив 2, щелевую диафрагму 3, вырезающую изображение узкой полоски зондируемой поверхности, и коллиматор 4. За входным блоком по ходу лучей расположен диспергирующий блок 5. Противоположной к входному блоку стороной диспергирующий блок крепится к оптоэлектронному блоку, содержащему выходной объектив 6 и фотоприемное устройство 7 с матрицей. Фотоприемное устройство 7 подключено к блоку системы управления 8 (Фиг. 1). К названному блоку также подключена скоростная цветная видеокамера 9. Гиперспектрометр 1 и видеокамера 9 размещены на поворотной платформе 10, которая используется для настройки полей зрения гиперспектрометра и видеокамеры на объект исследования. При лабораторных исследованиях объект исследования (горение и взрыв происходят в лабораторной установке, в которой имеется иллюминатор 12) и на этот иллюминатор настраиваются поля зрения гиперспектрометра и видеокамеры. Гиперспектрометр и скоростная цветная кинокамера синхронизованы по времени. В качестве гиперспектрометра целесообразно использовать гиперспектрометр, работающий по принципу «push broom». Выбор такого принципа работы гиперспектрометра, в отличие от других принципов, обусловлен тем, что только гиперспектрометр, работающий на принципе «push broom» может обеспечить хорошее пространственное и спектральное разрешение при достаточно высоком временном разрешении. Гиперспектрометр в течение определенного времени (кадра), задаваемого оператором, может регистрировать излучение, исходящее от узкой полоски 13 (расположенной, например, на окне иллюминатора лабораторной установки) на фотоприемную матрицу, а затем перейти к регистрации следующего кадра.
Устройство работает следующим образом. Гиперспектрометр при проведении лабораторных испытаний наводят на окно иллюминатора, так что его поле зрения вырезает узкую (порядка нескольких мм - зависит от расстояния устройства от иллюминатора и ширины щели в щелевой диафрагме гиперспектрометра) полосу 13 на окне иллюминатора. Скоростную цветную видеокамеру также наводят на окно иллюминатора. После установки в рабочем положении гиперспектрометра и скоростной видеокамеры включают гиперспектрометр и видеокамеру. Далее одним из возможных способов производят инициирование процесса горения или взрыва. После окончания процесса горения гиперспектрометр и видеокамеру выключают.
Гиперспектрометр, как показано на фиг. 3 регистрирует излучение и передает информацию управляющему устройству 8, которое формирует гиперкуб 14. В данном способе гиперкуб представляет собой четырехмерный массив данных, одна из координат «Y» которого соответствуют пространственной координате полосы 13, вторая «X» - длине волны, третья - интенсивности для каждой длины волны. Наличие съема данных кадрами обеспечивает четвертое измерения - время (ось х). Гиперкуб позволяет в каждой своей точке построить зависимость интенсивности излучения 15 от длины волны для каждой точки (пиксела) полосы 13 и времени, определяемого номером кадра и его длительностью.
Одновременно с процессом съемки гиперспектральным сенсором происходит регистрация процесса горения скоростной цветной видеокамерой 9 и передача полученных данных управляющему устройству 8, как это показано на фиг. 4.
На фиг. 4 также демонстрируются отдельные видеокадры 16, цифры на которых обозначают номер кадра скоростной цветной видеокамеры. Синхронная съемка обеспечивает однозначную привязку гиперспектрального кадра к видеокадру по времени. При помощи предварительной юстировки можно осуществить и привязку по пространству.
На фиг. 5 демонстрируются некоторые экспериментально проверенные возможности устройства, созданного в соответствии с полезной моделью (его синергетичность). Фиг. 5а показан видеокадр процесса горения в котором видны ячейки горения. На фиг. 4б показана часть гиперкуба, на которой видны полосы, связанные с границей ячейки. Отдельно выделена точка на полосе, связанной с границей ячейки, а, на фиг. 5в показан спектр границы.
Проведенные эксперименты продемонстрировали работоспособность и эффективность применения устройства, созданного в соответствии с предлагаемой полезной моделью.