ОРЕОЛЬНЫЙ ФОТОМЕТР ЗАКРЫТОГО ТИПА

Полезная модель относится к технике исследования дисперсных сред с помощью оптических методов, в частности к технике измерения оптических характеристик атмосферы путем измерения ореольной индикатрисы рассеяния дисперсной среды.
Известен SU 1571417 A1, опубл. 15.06.1990, в котором раскрыт ореольный фотометр. Изобретение относится к метеорологической оптике и может быть использовано, например, при измерении яркости неба вблизи светил. Цель изобретения - повышение быстродействия измерений. Ореольный фотометр содержит монолитный оптический конус, выполненный из параллельных жестко связанных между собой световодов, оси которых расположены под углом к продольной оси конуса. Световоды, входящие в состав оптического конуса, принимают излучение, распространяющееся от объекта измерений под указанным углом. Через монолитный оптический цилиндр, содержащий жестко связанные между собой и параллельные друг другу световоды, и через собирающую линзу излучение направляется на приемник излучения. Монолитный оптический конус может вращаться вокруг оси корпуса фотометра и таким образом, регистрировать излучение из полного телесного угла.
К недостаткам вышеприведенного устройства относится невозможность проведения круглосуточных мониторинговых измерений ореольной индикатрисы рассеяния атмосферного аэрозоля по причине отсутствия ночью источника излучения (солнца) и невозможность измерений при наличии облачности перекрывающей источник излучения, а так же при наличии осадков.
Известно устройство для измерения индикатрис рассеяния дисперсных сред, раскрытое в SU 1088469 A1, опубл. 23.01.1992, содержащее осветитель, установленную за ним оптическую систему формирования сканирующего луча с датчиком угла поворота, обеспечивающую облучение дисперсной среды в фиксированной точке под различными углами, фотоприемник и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены щелевая диафрагма и дополнительный фотоприемник, установленные последовательно, и измеритель отношения сигналов, причем щелевая диафрагма и дополнительный фотоприемник расположены на оптической оси, перпендикулярной плоскости облучения исследуемой, дисперсной среды и проходящей через выбранную фиксированную точку, направление щели диафрагмы параллельно оптической оси основного фотоприемника, а выходы обоих фотоприемников соединены с входами измерителя отношений, соединенного с регистратором.
К недостаткам вышеприведенного устройства также относится невозможность измерений ореольной индикатрисы рассеяния аэрозоля в атмосфере и проведения круглосуточных мониторинговых измерений по причине открытого рабочего объема, что приводит к наличию большого внешнего фона создаваемого солнечным излучением. Погрешность измерения особенно сильно отражается вблизи углов 0 и 180 градусов и соответственно сказывается на результатах измерений индикатрисы рассеяния. Для получения качественных данных измерения требуются вблизи малых углов.
Известен прибор - портативный измеритель коэффициента пропускания, который состоит из источника и приемника и спроектирован для измерения коэффициента пропускания, одним из назначений которого является измерение прямого рассеяния на малых углах. (Pritchard B.S., Eliott W.G. // JOSA. 1960. V.50. №3. P.191.)
Недостатки: возможность проводить измерения только в темное время суток, точность прибора сильно зависит от атмосферных условий.
Известен ореольный фотометр закрытого объема (В.П. Шмаргунов, Вик. В. Полькин, А.Г. Тумаков, М.В. Панченко, Вас. В. Полькин «Ореольный фотометр закрытого объема», Приборы и техника эксперимента, 2010, №6, с.155-157), содержащий аэрозольную камеру проточного типа, выполненную из светонепроницаемого материала, на одном торце которой установлено воздухозаборное устройство и источник оптического излучения с системой формирования пучка излучения, а на другом торце упомянутой камеры установлена ловушка прямого излучения прошедшего через камеру, и приемник потока рассеянного излучения от исследуемого объема аэрозоля, формируемого в зоне пересечения пучка источника излучения и поля зрения приемника.
Вышеприведенный фотометр, выбранный в качестве прототипа имеет следующие недостатки: конструктивное решение камеры не позволяет проводить измерения индикатрисы рассеяния для сред с незначительным содержанием аэрозольных частиц.
Задача полезной модели - уменьшение паразитных засветок и снижение шумов при измерении индикатрисы рассеяния атмосферного аэрозоля в закрытом объеме.
Технический результат - получение информации об ореольной индикатрисе рассеяния для сред с незначительным содержанием аэрозольных частиц, за счет увеличения чувствительности фотометра.
Поставленная задача достигается тем, что как и известный предлагаемый ореольный фотометр закрытого типа содержит аэрозольную камеру проточного типа, выполненную из светонепроницаемого материала, на одном торце которой установлено воздухозаборное устройство и источник оптического излучения с системой формирования пучка излучения, а на другом торце упомянутой камеры установлена ловушка прямого излучения прошедшего через камеру, и приемник потока рассеянного излучения от исследуемого объема аэрозоля, формируемого в зоне пересечения пучка источника излучения и поля зрения приемника.
Новым является то, что соотношение ширины камеры и ее высоты к диаметру пучка источника оптического излучения должно составлять не менее чем 10:1.
Кроме того внутри упомянутой камеры на боковой стенке, которая попадает в поле зрения приемника рассеянного излучения, установлены, по меньшей мере, три светозащитные шторки, предназначенные для отсечения переотраженных паразитных засветок от источника излучения, а на противоположной боковой стенке установлена, по меньшей мере, одна светозащитная шторка.
Предпочтительно, что в качестве источника оптического излучения обеспечивающего облучение атмосферного аэрозоля, поступившего в камеру, использован источник лазерного излучения.
При этом, входное отверстие ловушки прямого излучения прошедшего через камеру оптически сопряжено с источником излучения.
Предпочтительно, что в качестве приемника рассеянного излучения исследуемого объема аэрозоля использована цифровая матричная видеокамера.
Кроме того, внутри камеры дополнительно установлен выдвижной экран, выполненный из полупрозрачного материала, предназначенный для контроля мощности источника оптического излучения и калибровки сигналов по интенсивности от исследуемого объема.
Кроме того, для осуществления движения исследуемого атмосферного аэрозоля внутри камеры фотометр дополнительно содержит воздушный насос.
Одной из важных оптических характеристик атмосферного аэрозоля является индикатриса рассеяния излучения. Особо информативной частью ее является область малых углов, т.е. область рассеяния «вперед». Малоугловая индикатриса или ореольная индикатриса сосредоточивает в малых углах рассеяния основную энергию рассеянного излучения и несет информацию о спектре частиц размером >1 мкм.
Знание и возможность регистрации распределения интенсивности рассеянного излучения в малых углах чрезвычайно важны в практике радиационных расчетов, а также при лазерной диагностике аэрозолей.
В настоящее время фотометры, измеряющие ореольную часть индикатрисы рассеяния атмосферного аэрозоля, работают только в ночное время суток из-за большого внешнего фона, который создает солнечное излучение, за исключением прототипа.
Для круглосуточных измерений в малых углах индикатрисы рассеяния атмосферного аэрозоля в мониторинговом режиме в настоящем изобретении предлагается для формирования визируемого (исследуемого) объема использовать светонепроницаемую камеру, имеющую прямоугольное поперечное сечение, и выполненную с определенным соотношением ее геометрических размеров, в зависимости от диаметра пучка оптического излучения, и отверстиями, выполненными на торцах камеры, одном для установки воздухозаборника и источника оптического излучения, другом: для установки ловушки прямого прошедшего излучения и приемника рассеянного излучения. Также на одном из концов камеры (противоположном концу, на котором установлено воздухозаборное устройство) выполнено отверстие для установки устройства для перемещения воздуха внутри камеры.
Соблюдение заявленного соотношения геометрических размеров камеры и диаметра пучка при ее изготовлении позволяет значительно снизить шумы и засветки, что дает возможность проводить измерения индикатрисы рассеяния для сред с незначительным содержанием аэрозольных частиц.
Внутри светонепроницаемой камеры выполнены отсекающие засветки светозащитные шторки и выдвижной светорассеивающий экран.
Выдвижной экран служит для оперативного контроля мощности источника излучения и оперативной калибровки сигнала приемника перед каждой серией измерений.
Шторки выполняют роль бленд, защищающих приемник рассеянного излучения от попадания на него паразитных засветок. Шторки расположены на боковой стенке камеры, которая попадает в поле зрения приемника. Экспериментально было установлено, что для уменьшения переотраженных от боковых стенок паразитных засветок достаточно наличие трех шторок, т.к. дальнейшее увеличение количества шторок не приводит к существенному уменьшению паразитных засветок. На противоположной боковой стенке камеры расположена, по меньшей мере, еще одна (четвертая) светозащитная шторка, которая отсекает прямые паразитные засветки от источника излучения.
-3
-3
Экспериментальным способом также было установлено, что увеличение ширины аэрозольной камеры позволяет улучшить (увеличить) соотношение сигнал/шум для фотометра за счет дополнительного уменьшения паразитных засветок от линзы коллиматора на приемник. При неизменном диаметре пучка источника излучения были увеличены ширина и высота камеры, при этом соотношение диаметра пучка источника к ширине и высоте камеры составило 1:10, что привело к увеличению сигнал/шум не менее чем в 9 раз и улучшило точность определения сигналов примерно на порядок. Паразитные засветки уменьшаются за счет увеличения расстояния от выходной линзы коллиматора, которая и формирует основные паразитные засветки, до стенок камеры и от стенок камеры до приемника, что приводит к уменьшению телесных углов попадания паразитных засветок на приемник, и, соответственно, уменьшению их интенсивности. Известно, что интенсивность излучения (в нашем случае это паразитные засветки) от диффузного источника (в нашем случае это выходная линза) обратно пропорциональна квадрату расстояния до стенок камеры и от стенок камеры до приемника. Это позволило проводить измерения индикатрисы рассеяния для сред с минимальным (на сегодняшнее время) содержанием аэрозольных частиц: это среды, по данным аэрозольного счетчика GRIMM 1.108, с минимальными концентрациями частиц с диаметрами более 0,3 мкм - 3,5 см, и минимальными концентрациями частиц с диаметрами более 1 мкм - 0,01 см.
Использование в устройстве в качестве приемника оптического рассеянного излучения цифровой матричной видеокамеры (цифровая камера с ПЗС-матрицей) позволяет измерять индикатрису рассеяния по всем углам одновременно.
Полезная модель поясняется графическими материалами:
На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого ореольного фотометра: схема аэрозольной камеры и расположение основных элементов фотометра.
На фиг.2 приведен внешний вид аэрозольной камеры, выполненной из светонепроницаемого материала.
На фиг.3 представлены выборочные данные для индикатрисы, полученные в 21 июня 2013 г. в течение одного дня в утреннее, дневное и вечернее время.
Заявляемый ореольный фотометр закрытого типа (Фиг.1) содержит: аэрозольную камеру 1 (вид сверху), выполненную из светонепроницаемого материала; воздухозаборное устройство 2 и источник оптического излучения 3: лазер с коллиматором, установленные на одном торце камеры; установленные на противоположном торце камеры: приемник рассеянного оптического излучения (цифровая камера) 4 и ловушка излучения (светопоглощающая ловушка) 5, выдвижной экран 6, и светозащитные шторки - 7, установленные вдоль хода пучка источника излучения: три шторки на одной из боковых стенок, изображение которой попадает в поле зрения приемника, и одна (четвертая шторка) на противоположной боковой стороне, воздушный насос (пылесос) 8; блок управления 9 и компьютер 10.
Основные технические характеристики элементов заявляемого ореольного фотометра.
Источник оптического излучения 3 - одномодовый лазерный модуль KLM-650-40 мощностью 40 мВт на длине волны 650 нм с возможностью модуляции оптического сигнала; коллиматор излучения позволяет уширять пучок до 40 мм.
Приемник рассеянного оптического излучения 4 - цифровая камера SDU285 с матрицей SONY CCD ICX285AL с разрешением 1392×1032 элемента (пиксел размерами 6.45×6.45 мкм). Сигнал от матрицы пропорционален яркости каждого пикселя и, следовательно, яркости рассеянного дисперсной средой излучения. Обеспечивает низкий уровень шумов и имеет широкий динамический диапазон.
На фиг.2 изображена схема аэрозольной камеры 1, выполненной в форме протяженного прямоугольного параллелепипеда с основными геометрическими размерами (размерами ребер): длина (1)×ширина (b)×высота (h) (600×40×40), и местами расположений отверстий для установки внешних устройств: на одном из торцов для установки воздухозаборного устройства 2 и источника оптического излучения 3; а на противоположном конце: на торце выполнены отверстия для установки светопоглощающей ловушки 5 и цифровой камеры 4, а в нижней части с этой же стороны камеры выполнено отверстие для установки воздушного насоса 8.
Выдвижной экран 6, выполняют из светорассеивающего полупрозрачного материала с известным коэффициентом пропускания.
После окончательной сборки предлагаемого ореольного фотометра один раз проводится калибровка рассеивающего объема по всем углам с помощью фторопластового экрана: с известным альбедо пропускания по методике, описанной в [Pritchard B.S., Eliott W.G.// JOSA. 1960. V.50. №3. Р.191.].
Ореольный фотометр работает в автоматическом мониторинговом режиме. Блок управления 9 осуществляет прием команд с компьютера 10 для управления включением лазера 3 и воздушного насоса 8, а также движением выдвижного экрана 6. Запуск и считывание информации с цифровой камеры 4 и ее дальнейшая обработка осуществляются компьютером 10 под управлением сервисной программы в автоматическом режиме.
3
-1
Диапазон измеряемых углов рассеяния - 1.2°-20°; количество измеряемых углов - 260; динамический диапазон сигнала - 300000; расход воздуха 2 м·мин; время измерения 1-5 мин с усреднением по 100 кадрам
На фиг.3 представлены выборочные данные для индикатрисы, полученные в 21 июня 2013 г. в течение одного дня в утреннее, дневное и вечернее время.