СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ И УСТРОЙСТВО-ТЕРАСКОП ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF RENDERING ELECTROMAGNETIC RADIATION AND TERASCOPE DEVICE THEREFOR

Область техники
Изобретение относится к области электрооптического (радиооптического) приборостроения, в частности к визуализации электромагнитного излучения.
Предшествующий уровень техники
Из всего спектра электромагнитных излучений, испускаемых природными или искусственными объектами, человеческий глаз способен видеть изображения объектов только в диапазоне длин волн 0.45÷0.75 мкм (видимый спектр).
11
13
Для решения задачи визуализации за пределами этого видимого диапазона в ультравысокочастотном диапазоне (УВЧ) и выше, в том числе в терагерцовой части спектра электромагнитных волн (10-10 Гц, диапазон длин волн 3-0,03 мм соответственно), используются различные устройства - тераскопы для визуализации электромагнитных излучений. К таким устройствам относятся, например, радиометры изображения или отображающие радиометры, радиоинтроскопы, электронно-оптические преобразователи (ЭОПы), радиовизоры и тепловизоры.
Потребность в визуализации терагерцовых (субмиллиметровых) волн вызвана тем, что такое излучение легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Соответственно применение терагерцового излучения различно и включает использование в томографических исследованиях на сантиметровой глубине, при идентификации веществ. Кроме того, учитывая безвредность терагерцового излучения для человека, оно может быть использовано во всевозможных сканирующих устройствах. Например, в устройствах антитеррористического контроля, визуализаторах-тераскопах.
Из патента RU 2218560 C2 известна система формирования изображения, которая включает в себя более чем один приемник на, по меньшей мере, одной подложке и оптический элемент для сбора электромагнитного излучения и для фокусировки его на указанные приемники, выполненные в виде болометров с сопрягающей антенной. Размеры антенн выбраны таким образом, что чувствительность болометров снижена на длинах волн, меньших заданного значения. Система дополнительно содержит, по меньшей мере, один адаптивный элемент для улучшения сопряжения излучения с болометрами. Оптический элемент выполнен с возможностью ограничения полосы длин волн электромагнитного излучения, падающего на подложку для болометров. В результате система обладает двухступенчатой селективностью по отношению к длине волны. Однако такая система имеет низкое разрешение при больших габаритных размерах устройства, при этом получаемое изображение имеет заметную инерционность. Кроме того, существует определенное ограничение использования прибора при комнатной температуре, без использования дорогостоящих охлаждающих устройств, связанное с тем, что нагревательная нагрузка болометра приемной антенны имеет тепловую инерционную составляющую с передачей тепла на лепестки антенн. При этом лепестки антенн, в свою очередь, достигнув определенной температуры, начнут отдавать тепло на сам нагревательный элемент болометра, что препятствует проведению визуализации динамических процессов.
Из патента №2356129 известен визуализатор электромагнитных излучений, содержащий в качестве воспринимающей излучения мишени - антенную матрицу, преобразующую падающую на нее энергию излучения в электрическую энергию тока, который, в свою очередь, нагревает резистивную пленку, преобразуя, таким образом, электрическую энергию в тепло (энергию инфракрасного излучения), а в качестве преобразователя тепловой энергии в электрическую - тепловизор, который строит инфракрасное (тепловое) изображение температурного поля на поверхности своего матричного приемника, который, в свою очередь, преобразует энергию ИК излучения в необходимый электрический сигнал. Недостатком такого визуализатора является его невысокая чувствительность по отношению к естественному излучению исследуемых объектов в субмиллиметровом диапазоне излучения. Другим недостатком является низкая разрешающая способность визуализации вследствие необходимости конструктивного исполнения каждого элемента разложения антенной матрицы по размерам, зависящим от длины волны визуализируемого излучения, что приводит к громоздкости мишени с элементами разложения и соответственно всего устройства в целом, без какого-либо увеличения разрешающей способности визуализатора. Дополнительным недостатком является повышенная сложность конструкции камеры мишени вследствие необходимости ее термоизоляци. Кроме того, наличие в данном устройстве большого количества нетермоизолированных линз, полупрозрачных зеркал, а также незначительность самой тепловой информации элемента разложения мишени приводит к большим шумовым помехам и искажениям. Так как исследуемое электромагнитное излучение проходит несколько этапов трансформации в различные виды энергии, в том числе через тепловое преобразование поглощенной энергии излучения, проявляется дополнительная инерционность и размытость изображения объекта.
Из заявки на патент RU 2012136439 известно устройство визуализации электромагнитных излучений, наиболее близкое к заявляемому объекту, содержащее линзовую антенну, принимающую и фокусирующую электромагнитное излучение; вакуумированный диэлектрический корпус с экраном, имеющим пропускающее излучение окно и вмещающий в себя чувствительный элемент, расположенный в фокальной плоскости линзовой антенны и электронно-оптический преобразователь; электронный блок обработки и устройство воспроизведения изображения, причем чувствительный элемент содержит металлическое основание-подложку, электрически связанное с экраном вакуумированного диэлектрического корпуса, с диэлектрической прокладкой со стороны падающего излучения, с расположенным на ней набором элементов разложения, выполненных с возможностью поглощать сфокусированное электромагнитное излучение и преобразовывать его в переменные электрические заряды с частотой, заданной геометрическими размерами элемента разложения, причем каждый элемент разложения из набора элементов разложения имеет емкостную связь с металлической основанием-подложкой, причем электронно-оптический преобразователь для обеспечения эмиссии предварительно возбужденных электронов выполнен с возможностью создания внешнего статического поля с энергией, равной:
А
в мат
в0
эми
Е=Е - Е- Е
где:
в мат
Е- энергия выхода электронов материала,
в0
Е - энергия покоя электрона,
эми
Е- переменная энергия заряда, сгенерированного на обкладке элемента разложения при приеме поглощенного визуализируемого электромагнитного излучения,
А
Е- энергия внешнего однородного статического электрического поля,
причем электронно-оптический преобразователь содержит элемент преобразования информационного потока электронов, причем каждый из элементов разложения выполнен из материала, обладающего высокой автоэлектронной эмиссией при низком значении напряженности электрического поля.
Основными недостатками известного устройства визуализации электромагнитных излучений на основе автоэлектронной эмиссии с предварительным возбуждением электронов являются достаточно сложная юстировка (настройка) устройства визуализации на слабых сигналах исследуемых излучений, что позволяет визуализировать только относительно сильные(мощные) источники сигнала, а также наличие нескольких промежуточных преобразований исследуемого электромагнитного излучения, что вызывает дополнительные шумы, приводящие к ухудшению визуализированного изображения и требующие многозвенной настройки и юстировки.
Таким образом, по меньшей мере, указанные выше недостатки известного устройства не позволяют получить простое и чувствительное к слабым сигналам устройство визуализации исследуемых объектов в УВЧ диапазоне и выше в динамическом и статическом режимах.
Целью данного изобретения является непосредственное преобразование исследуемого электромагнитного излучения в электрические информационные сигналы, с последующей их визуализацией.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является предоставление способа и устройства визуализации электромагнитного излучения УВЧ диапазона и выше, использующего непосредственное преобразование исследуемого электромагнитного излучения в электрические информационные сигналы с последующей их визуализацией.
Техническим результатом, достигаемым изобретением, является повышение чувствительности, разрешающей способности, простоты настройки и удобства эксплуатации.
Поставленная задача согласно одному аспекту настоящего изобретения решается предоставлением устройства визуализации электромагнитных излучений, содержащего
линзовую антенну, принимающую и фокусирующую электромагнитное излучение;
вакуумированный диэлектрический корпус, имеющий пропускающее излучение окно и вмещающий в себя чувствительный элемент, расположенный в фокальной плоскости линзовой антенны,
электронный блок обработки и соединенное с ним устройство воспроизведения изображения,
отличающееся тем, что
корпус дополнительно вмещает в себя экран, выполненный с возможностью работы в качестве коллектора вторичных электронов,
устройство дополнительно содержит блок подачи электронов, предназначенный для создания модулируемого импульса, и
чувствительный элемент, принимающий модулируемый импульс и сфокусированное визуализируемое электромагнитное излучение, содержит набор элементов разложения, представляющих собой конденсаторы, имеющие первую и вторую обкладки, разделенные диэлектрической прокладкой, причем первая обкладка конденсаторов из набора расположена на стороне падающего визуализируемого электромагнитного излучения и выполняет функцию антенны, поглощающей сфокусированное визуализируемое электромагнитное излучение, которое модулирует модулируемый импульс, а вторая обкладка конденсатора расположена на противоположной стороне диэлектрической прокладки и имеет электрическую связь с электронным блоком обработки для передачи созданного результирующего промодулированного сигнала, причем
чувствительный элемент выполнен с возможностью преобразования падающего визуализируемого электромагнитного излучения в переменные электрические заряды с резонансной частотой, заданной геометрическими размерами и формой элемента разложения.
Согласно одному варианту воплощения визуализируемое излучение является излучением в УВЧ диапазоне и выше.
Согласно другому варианту воплощения первая обкладка конденсаторов из набора выполнена в форме, обеспечивающей круговую поляризацию сигнала принимаемого электромагнитного излучения.
Согласно другому варианту воплощения форма первой обкладки конденсаторов представляет собой круг или любую фигуру, обеспечивающую прием визуализируемого электромагнитного излучения.
Согласно другому варианту воплощения набор элементов разложения содержит группы элементов, состоящие из элементов разных размеров и одинаковой геометрической формы.
Согласно другому варианту воплощения набор элементов разложения содержит группы элементов, состоящие из элементов одинаковых размеров и разной геометрической формы. В качестве примера могут быть представлены группы элементов, состоящие из элементов в форме круга и многоугольника, соответственно, причем диаметр круга равен диаметру окружности, описываемой вокруг многоугольника.
Согласно другому варианту воплощения элемент набора элементов разложения может быть выполнен плоской или объемной формы.
Согласно другому варианту воплощения набор элементов разложения содержит группы элементов, состоящие из элементов разных размеров и имеющих разную геометрическую форму.
Согласно другому варианту воплощения электронный блок обработки преобразует и обрабатывает электрический сигнал от чувствительного элемента для его последующей подачи в устройство воспроизведения изображения.
Согласно другому варианту воплощения блок подачи электронов представляет собой блок импульсной подачи пучка электронов или по меньшей мере одну электронную пушку.
Согласно другому варианту воплощения электронный блок обработки может быть фильтром низких частот, сглаживающим фильтром, усилителем сигнала, блоком наведения синхроимпульсов.
Согласно другому варианту воплощения вторая обкладка конденсатора выполнена общей или изолированной отдельной для каждой соответствующей первой обкладки конденсаторов набора или группы конденсаторов набора.
Поставленная задача согласно второму аспекту настоящего изобретения решается предоставлением способа визуализации электромагнитных излучений, содержащего этапы, на которых
воспринимают электромагнитное излучение с помощью линзовой антенны,
фокусируют воспринятое визуализируемое электромагнитное излучение на чувствительный элемент,
преобразуют сфокусированное падающее визуализируемое электромагнитное излучение в переменные электрические заряды,
формируют изображение на устройстве воспроизведения изображения,
отличающегося тем, что
на этапе фокусирования фокусируют воспринятое визуализируемое электромагнитное излучение на чувствительный элемент, содержащий набор элементов разложения, представляющих собой конденсаторы, имеющие первую и вторую обкладки, разделенные диэлектрической прокладкой, причем первая обкладка конденсаторов из набора расположена на стороне падающего визуализируемого электромагнитного излучения и выполнена в качестве антенны для поглощения сфокусированного визуализируемого электромагнитного излучения, а вторая обкладка конденсаторов расположена на противоположной стороне диэлектрической прокладки,
на этапе преобразования сфокусированного падающего визуализируемого электромагнитного излучения в переменные электрические заряды дополнительно подают электроны для создания импульса, модулируемого визуализируемым электромагнитным излучением, причем преобразуют сфокусированное падающее визуализируемое электромагнитное излучение в переменные электрические заряды с резонансной частотой, заданной геометрическими размерами и формой элемента разложения,
на этапе формирования изображения передают созданный результирующий промодулированный сигнал от второй обкладки конденсатора на электронный блок обработки и устройство воспроизведения изображения.
Согласно другому варианту воплощения воспринимают излучение в УВЧ диапазоне и выше.
Согласно другому варианту воплощения электроны для создания импульса, модулируемого визуализируемым электромагнитным излучением, подают посредством блока импульсной подачи пучка электронов или по меньшей мере одной электронной пушкой.
Согласно другому варианту воплощения этап формирования изображения дополнительно включает в себя обработку полученного электрического сигнала электронным блоком обработки, воспроизведение обработанного электрического сигнала с помощью устройства воспроизведения изображения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает схематический вид устройства визуализации излучения согласно первому предпочтительному варианту воплощения.
Фиг. 2 изображает схематический вид устройства визуализации излучения согласно второму предпочтительному варианту воплощения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения
Принцип работы одного предпочтительного варианта воплощения устройства визуализации излучения УВЧ диапазона и выше основан на использовании принципа визуализации промодулированного сигнала, полученного модуляцией подаваемого импульса сфокусированным электромагнитным излучением. При этом подаваемый импульс может быть обеспечен устройством импульсной подачи пучка электронов, выполненным по технологии многоострийной системы электродов с анодной сеткой. Технология создания многоострийной системы электродов предполагает использование металлических автоэлектронных эмиттеров для создания концентрированного пучка электронов.
Устройство визуализации согласно первому предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения (фиг.1) содержит: линзовую антенну 1, вакуумированную диэлектрическую камеру 2, окно 3, пропускающее визуализируемое излучение, коллектор 4 вторичных электронов, расположенный по периметру внутри камеры 2 вдоль направления прохождения визуализируемого излучения, выполняющий функцию экрана, первые обкладки 5 конденсаторов элементов разложения, диэлектрическую прокладку 6, вторые обкладки 7 конденсаторов элементов разложения, электронный блок 8 обработки сигнала, устройство 9 воспроизведения изображения, устройство 10 импульсной подачи пучка электронов.
Согласно первому предпочтительному варианту устройство визуализации работает следующим образом.
Устройство 10 импульсной подачи пучка электронов создает импульсный пучок электронов в соответствии с частотой смены кадров и геометрическими размерами чувствительного элемента. Сам чувствительный элемент содержит набор элементов разложения, представляющих собой конденсаторы, имеющие первые и вторые обкладки 5, 7, разделенные диэлектрической прокладкой 6, причем первые обкладки 5 конденсаторов из набора расположены на стороне падающего визуализированного электромагнитного излучения и выполняет функцию антенны, поглощающей сфокусированное визуализированное электромагнитное излучение. Пучок электронов, принятый от устройства 10 импульсной подачи пучка электронов, создает на первых обкладках 5 конденсаторов импульсы, имеющие одинаковую длительность для одновременной оценки и преобразования электронным блоком 8 обработки сигналов со всех элементов разложения в видеосигнал, подаваемый на устройство 9 воспроизведения изображения. Таким образом, частота подачи импульсного пучка электронов соответствует частоте смены кадров визуализируемого электромагнитного излучения.
Сформированные импульсы на первых обкладках 5 конденсаторов, в свою очередь, модулируются одновременно поступающим электромагнитным излучением, имеющим значительно более высокую частоту (УВЧ и выше). Это излучение поступает от исследуемого объекта визуализации, фокусируется линзовой антенной 1, проходит сквозь окно 3, пропускающее визуализируемое электромагнитное излучение в вакуумированную диэлектрическую камеру 2, и попадает на первые обкладки 5 конденсаторов набора элементов разложения чувствительного элемента. Элементы разложения чувствительного элемента поглощают сфокусированное визуализируемое электромагнитное излучение и формируют потенциальную картину объекта визуализации, соответствующую уровню переменного заряда с резонансной частотой на элементах разложения, в соответствии с их формой, геометрическими размерами и круговой поляризацией.
Коллектор 4 вторичных электронов служит одновременно гасителем вторичных электронов, выбитых пучком электронов с элементов разложения и экраном от паразитного излучения. Таким образом, происходит усиление слабого визуализируемого электромагнитного излучения, его преобразование в промодулированные сигналы с помощью сигналов, полученных от устройства 10 импульсной подачи пучка электронов, на каждом элементе разложения в удобную для последующей их обработки форму. Далее, результирующий промодулированный сигнал, несущий информацию о яркости и соответствии уровня переменного заряда каждой точке разложения, поступает одновременно со вторых обкладок 7 конденсаторов в электронный блок 8 обработки сигнала, который преобразует их в аналоговый или цифровой видеосигнал для подачи на устройство 9 воспроизведения изображения.
Согласно второму предпочтительному варианту воплощения, показанному на Фиг.2, устройство содержит линзовую антенну 1, вакуумированную диэлектрическую камеру 2, окно 3, пропускающее визуализируемое излучение, коллектор 4 вторичных электронов, выполняющий функцию экрана, первые обкладки 5 конденсаторов элементов разложения, диэлектрическую прокладку 6, вторую общую обкладку 7 конденсатора элементов разложения, электронный блок 8 обработки сигнала, устройство 9 воспроизведения изображения, устройство 10 электронной пушки.
Устройство согласно второму предпочтительному варианту воплощения работает следующим образом. Блок подачи электронов представляет собой устройство 10 электронной пушки, которое создает узкий луч электронов, перемещающийся посредством отклоняющей системы (не показана), последовательно и в соответствии с построчной и покадровой разверткой и размерами чувствительного элемента. Сам чувствительный элемент содержит набор элементов разложения, представляющих собой конденсаторы, имеющие обкладки 5, 7, разделенные диэлектрической прокладкой 6, причем первая обкладка 5 конденсаторов из набора расположена на стороне падающего визуализируемого электромагнитного излучения и выполняет функцию антенны, поглощающей сфокусированное визуализируемое электромагнитное излучение. Принятый от устройства 10 электронной пушки электронный луч создает на первой обкладке 5 импульс, имеющий длительность, равную длительности нахождения электронного луча на этом элементе разложения. Сформированный импульс, в свою очередь, модулируется одновременно поступающей частотой визуализируемого электромагнитного излучения, имеющего более высокую частоту. Визуализируемое электромагнитное излучение поступает от исследуемого объекта визуализации, фокусируется линзовой антенной 1, проходит сквозь окно 3, пропускающее визуализируемое излучение, в вакуумированную диэлектрическую камеру 2, и попадает на элементы разложения чувствительного элемента. При этом первые обкладки конденсаторов чувствительного элемента, расположенные на стороне падающего визуализируемого электромагнитного излучения, поглощают сфокусированное визуализируемое электромагнитное излучение, и формируют потенциальную картину переменного заряда с частотой падающего визуализируемого электромагнитного излучения, которое модулирует модулируемые импульсы. При этом элементы разложения имеют форму, геометрические размеры, необходимые для восприятия визуализируемого электромагнитного излучения в УВЧ диапазоне и выше, обеспечивают круговую поляризацию воспринимаемого сигнала и обеспечивают резонанс на частоте воспринимаемого визуализируемого электромагнитного излучения. Коллектор 4 вторичных электронов служит одновременно гасителем вторичных электронов, выбитых электронной пушкой с элементов разложения, и экраном от паразитного излучения.
Таким образом, обеспечивается одновременное усиление слабого электромагнитного излучения и его преобразование в промодулированный сигнал с помощью наведенного устройством 10 электронной пушки модулируемого сигнала на каждом элементе разложения. Далее, результирующий промодулированный сигнал, несущий информацию о яркости, соответствии уровня переменного заряда каждой точке разложения, о строчных и кадровых гасящих импульсах, снимается со второй общей обкладки 7 конденсатора.
имп
ЭМИ сигн max
Дальнейшее преобразование последовательного потока сигнала может происходить различными способами. Например, при уровне амплитуды сигнала, наведенного устройством 10 электронной пушки на первой обкладке 5 конденсаторов элементов разложения, равной U>U,вполне достаточно в качестве электронного блока 8 обработки сигнала иметь фильтр низких частот, отсекающий шум, созданный остальными элементами разложения, временно не участвующими в процессе их сканирования электронной пушкой, но наводящими на второй общей обкладке 7 слабые сигналы, а также сглаживающий фильтр, выравнивающий амплитуду сигнала, с последующим усилением и подачей на устройство 9 воспроизведения изображения.