ПОЛИСПЕКТРАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
POLYSPECTROSCOPIC DEVICE OF INFRARED IMAGE VISUALISATION

Изобретение относится к технике контроля и измерения распределения полей и изображений инфракрасного (ИК) диапазона и может быть использовано для прямого преобразования изображения среднего ИК-диапазона в изображение видимого или ближнего ИК-диапазона, где имеются стандартные средства визуализации, например телевизионные фотоприемные матрицы или электрооптические преобразователи.
Известны способы визуализации изображений ИК-диапазона, основанные на переносе частоты излучения вверх в видимый диапазон частот за счет антистоксовой люминесценции (Архипова Э.Я., Малышев В.И. и др. Визуализация полей излучения ИК-лазеров при помощи антистоксовых люминофоров. Краткие сообщения по физике, 1972. - № 9.- с.60-64). Наиболее эффективным устройством для реализации этого способа визуализации является использование набора активных световодов (НАС), выполненных из вещества, содержащего центры антистоксового преобразования частоты. Такое решение реализовано в устройстве визуализации ИК-изображения (патент RU 2263939 С1 от 29.03.04 г.), выбранном нами в качестве прототипа. Прототип содержит антистоксовый преобразователь частоты, выполненный в виде НАС, сопряженный с входной оптической системой и источником излучения накачки, входной инфракрасный объектив и выходной объектив.
Недостатком прототипа, является то, что он позволяет работать только в одном участке ИК-спектра, определяемом типом рабочего центра антистоксового преобразования и соответствующим ему источником накачки. В то же время, очень часто необходимо получение изображения в нескольких поддиапазонах ИК-спектра, что позволяет не только улучшить информативность системы визуализации, но и повысить степень идентификации объектов за счет обработки изображений, полученных в различных участках спектра, например за счет их, так называемого «оконтуривания». На решение подобных задач и направлено настоящее изобретение.
Цель изобретения достигается тем, что в материал НАС вводятся несколько типов центров антистоксового преобразования, работающих каждый в своем диапазоне ИК-спектра. Одновременно, в устройство вводятся дополнительные источники накачки, обеспечивающие работу этих центров. За выходным объективом установлен цветоразделитель, направляющий преобразованное излучение от каждого типа центров антистоксового преобразования на свою фотоприемную матрицу. Сигналы с фотоприемных матриц поступают, одновременно, на входы решающего устройства, управляемого с помощью системы управления, и сумматора, с выхода которого изображение выводится на монитор.
Рассмотрение сути работы полиспектрального устройства визуализации инфракрасного изображения (ПУВИИ) проведем на основе биспектрального варианта, учитывая, в том числе то, что большинство современных тепловизионных систем чаще всего работают в двух спектральных диапазонах (3…5 мкм и 8…14 мкм), соответствующих окнам прозрачности атмосферы.
На фиг.1 представлена схема ПУВИИ, а на фиг.2,а и 2,б приведены энергетические уровни и указаны сигнальные и входные частоты, а также частоты накачки центров антистоксового преобразования частоты.
ПУВИИ включает в себя входную оптическую систему 1, антистоксовый преобразователь частоты на основе НАС 2, источник излучения накачки первого спектрального диапазона 3, источник излучения накачки второго спектрального диапазона 4, выходную оптическую систему 5, система цветоразделения 6, фотоприемную матрицу первого спектрального диапазона 7, фотоприемную матрицу второго спектрального диапазона 8, решающее устройство 9, сумматор 10, монитор 11, устройство управления 12. В активные световоды антистоксового преобразователя частоты на основе НАС 2 введены два типа центров антистоксового преобразования частоты.
c1
c2
н1
н2
вых1
вых2
вых1
вых2
ПУВИИ работает следующим образом. Инфракрасное излучение, пройдя через входную оптическую систему 1, формирует на входной плоскости антистоксового преобразователя частоты на основе НАС 2 ИК-изображение сцены. Одновременно, в антистоксовый преобразователь частоты на основе НАС 2 вводится излучение от источников излучения накачки первого и второго спектрального диапазонов 3 и 4. В активных центрах антистоксового преобразователя частоты на основе НАС 2 происходит процесс переноса частоты вверх за счет антистоксового излучения. Этот процесс показан на фиг.2а и 2б, где обозначены уровни энергии центров антистоксового преобразования, работающих в первом и втором спектральных диапазонах ИК-излучения. Здесь обозначено: f - сигнальная частота первого спектрального диапазона; f - сигнальная частота второго спектрального диапазона; f - частота накачки первого спектрального диапазона; f - частота накачки второго спектрального диапазона; f - частота антистоксового излучения первой группы центров антистоксового преобразования частоты; f - частота антистоксового излучения второй группы центров антистоксового преобразования частоты. За счет антистоксового излучения первой и второй группы центров антистоксового преобразования частоты на входной поверхности антистоксового преобразователя частоты на основе НАС 2 формируются два изображения на различных частотах f и f. Эти изображения поступают на внутреннюю отражающую поверхность входной оптической системы 1 и через выходную оптическую систему 5 направляются на систему цветоразделения 6. Система цветоразделения 6 направляет изображения каждого из спектральных диапазонов на соответствующую фотоприемную матрицу первого спектрального диапазона 7 и фотоприемную матрицу второго спектрального диапазона 8. С выходов фотоприемных матриц первого и второго спектральных диапазонов 7 и 8 сигналы поступают одновременно на входы решающего устройства 9 и сумматора 10. Решающее устройство 9 обрабатывает поступающие сигналы по программе, задаваемой устройством управления 12, и выдает сигнал, поступающий на управляющий вход сумматора 10. Сумматор 10 по закону, приведенному в выражении (1), формирует выходной сигнал, подаваемый на монитор 11.
1
2
где U и U - сигналы с выходов фотоприемных матриц первого и второго спектральных диапазонов 7 и 8;
12
21
k и k - коэффициенты суммирования, лежащие в интервале [-1;+1].
c1
c2
Такое формирование сигналов на входе монитора 11 позволяет учитывать специфику спектрального распределения инфракрасного излучения объектов и условия распространения излучения на сигнальных частотах f и f в атмосфере, за счет чего удается повысить степень идентификации и распознавания объектов.