Способ измерения инфракрасного излучения

Данное изобретение относится к области регистрации и измерений оптических характеристик объектов, излучающих энергию вследствие нагревания их поверхности при прохождении плотных слоев атмосферы с высокими скоростями, и может быть внедрено на предприятиях, разрабатывающих оптическую аппаратуру для регистрации и измерений при летных испытаниях указанных выше объектов.
Известные способы регистрации и измерений оптического излучения при проведении летных испытаний объектов, перемещающихся со скоростями 10000÷1000 м/сек в плотных слоях атмосферы, не позволяют проводить регистрацию и измерение на высотах 70÷80 км ввиду недостаточной чувствительности приемного тракта оптического прибора при фиксированной полосе, в то время как на высотах 20÷30 км уровень излучения возрастает настолько, что нередко превышает динамический диапазон регистрации и измерений и приводит к недопустимым искажениям результатов.
В настоящее время применяется способ измерения, основанный на том, что с помощью оптической системы формируют изображение исследуемого объекта на приемнике лучистой энергии, который преобразует световой поток в электрический сигнал. Затем этот сигнал усиливают в усилительном тракте с фиксированной полосой усиливаемых частот и обрабатывают далее в зависимости от назначения измерений.
Такой способ обработки оптических сигналов оправдывает себя при постоянных уровнях излучения от исследуемых объектов. Однако при движении баллистических объектов по нисходящей ветви траектории вследствие трения обшивки о воздух происходит постепенное нагревание корпуса. На высотах порядка 70÷100 км скорость такого нагревания относительно невелика. Ниже происходит плавное нарастание скорости нагревания приблизительно до высот 25÷30 км, после чего температура поверхности стабилизируется. Естественно, что такое нагревание связано с увеличением интенсивности оптического излучения. Практика показывает, что перепад силы излучения при таких измерениях достигает двух-четырех порядков, причем нижняя граница определяется пороговой чувствительностью приемного устройства.
Из изложенного видно, что оптимальным режимом работы измерительного устройства при малых интенсивностях излучения от объекта измерения является малая частота замеров, что позволит ощутимо улучшить чувствительность измерительного устройства без потери качества измерений.
При больших уровнях интенсивности излучения для сохранения качества измерений необходима относительно большая частота замеров, что снижает чувствительность инструмента.
Однако такое снижение чувствительности является здесь положительным фактором, так как снижает динамический диапазон сигнала в измерительном тракте в целом, что позволяет повысить точность измерений.
Недостаток измерений известным способом заключается в том, что получение оптической информации ведется с постоянной, фиксированной частотой замеров, закладываемой в реальную конструкцию на основе компромиссного решения между требованиями по обеспечению чувствительности и частотой замеров.
Это приводит к целому ряду недостатков по сравнению с оптимальным режимом работы:
- на начальном участке полностью теряется информация вследствие заниженной чувствительности;
- на конечном участке измерений качество информации неудовлетворительно за счет малой частоты замеров;
- велик динамический диапазон сигнала, что обуславливает относительно большие ошибки измерений.
Таким образом, целью данного изобретения является повышения информативности и точности при регистрации и измерении параметров излучения от объектов при их полете на атмосферном участке траектории, что достигается оптимальным режимом получения информации.
Данный режим реализуется введением в процесс обработки информации этапа анализа уровня измеряемого сигнала и этапа регулирования частотной полосы усиления и скорости обзора пространства по результатам этого анализа.
Для иллюстрации преимуществ рассмотрим следующий пример. Предположим, что имеется два измерительных устройства, одно из которых выполнено с авторегулировкой частотной полосы устройства (Δf=1÷15.000 Гц - частотная полоса), а другое - нет (Δf=50 Гц). В остальном технические данные обоих приборов следующие:
o.c.
D = 10 см - диаметр входного зрачка;
n
q = 1 см - площадь чувствительной площадки приемника лучистой энергии;
N = 50 - число чувствительных элементов приемника;
k = 10 - отношение сигнал/шум;
-2
γ = 10 - разрешающая способность системы;
o.c.
τ = 0,5 - коэффициент пропускания оптической системы.
Сравним дальности действия приборов, определяя ее по следующей зависимости (см. В.В. Козёлкин, И.Ф. Усольцев "Основы инфракрасной техники", "Машиностроение", 1967 г., стр. 285):
где:  - обнаружительная способность;
n
-10
Φ = 10 Вт - пороговый поток;
- время просмотра поля обзора.
Тогда для прибора с авторегулировкой частотной полоса максимальная дальность обнаружения:
1 Гц
D = 8770 м;
а для прибора с фиксированной частотной полосой:
50 Гц
D = 2400 м.
Откуда выигрыш в дальности обнаружения составит:
Уменьшение динамического диапазона сигнала оценим по падению обнаружительной способности приемника излучения:
Таким образом, динамический диапазон сигнала сузится в 17 раз, а это, в свою очередь, позволит существенно улучшить точность измерений.
Блок-схема, поясняющая данный способ, приведена на фиг. 1. Сканирующая оптическая система (I) дискретно формирует изображение исследуемого объекта на приемной площадке приемника лучистой энергии (2).
Далее сигнал усиливается усилителем с регулируемой частотной полосой (3).
Анализирующее устройство (4) в результате анализа сигнала с помощью формирователя управляющих сигналов (5) непрерывно оказывает соответствующее результату воздействие на полосу усилителя (3). Соответственно с целью согласования частот входного сигнала с полосой усилителя изменяется скорость привода сканирования объектива (6). С выхода усилителя сигнал подается на устройство обработки и регистрации (7).