УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛАЗЕРНО-ЛОКАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к измерительной технике, конкретно к установкам для измерения лазерно-локационных характеристик объектов с обработкой результатов измерений на ЭВМ.
Известны установки [1-6] для измерения радиолокационных и лазерно-локационных характеристик объектов на основе сравнения измерений отражательных характеристик объектов с эталонами.
Наиболее близкой из известных по назначению и технической сущности является установка измерения радиолокационных характеристик объектов [6], включающая последовательно соединенные импульсный радиопередатчик, антенный переключатель, антенну, приемник и вычислитель, ко второму входу которого присоединен пульт управления, вторые вход-выход которого соединены с основным опорно-поворотным устройством, на котором установлен измеряемый объект, и эталонный отражатель, а также опорно-поворотное устройство с платформой и подъемник. На платформе дополнительного опорно-поворотного устройства эксцентрично установлен эталонный отражатель, подъемник дополнительного опорно-поворотного устройства установлен между основным опорно-поворотным устройством и передатчиком в одном импульсном объеме с объектом измерения, а третьи вход-выход пульта управления соединены с дополнительным опорно-поворотным устройством.
Известная установка имеет недостаточные функциональные возможности, связанные с использованием в ней только одного диапазона электромагнитных волн.
Технической задачей является расширение функциональных возможностей установки по измерению отражательных характеристик объектов.
Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является расширение спектрального диапазона измерений - использование для исследования характеристик объекта увеличенного количества длин волн электромагнитного излучения, а именно: инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов, использование при измерениях компенсирующего фонового канала, а также автоматизация процесса измерений.
Указанный технический результат и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечиваются тем, что установка для измерения лазерно-локационных характеристик объектов согласно полезной модели включает поглощающий экран, а также лазерное приемопередающее устройство для передачи и приема сигналов в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн, приемник фонового излучения, отраженного от поглощающего экрана и механизм для подвески и вращения объекта измерения между лазерным приемопередающим устройством и поглощающим экраном, соединенные через интерфейсный порт и/или аналогово-цифровой преобразователь с ЭВМ обработки результатов измерения лазерно-локационных характеристик объектов.
При этом лазерное приемопередающее устройство содержит передающий канал с формирующей оптикой для облучения объекта измерения и приемный канал для приема отраженного лазерного излучения от объекта измерения. Приемный канал для приема отраженного лазерного излучения от объекта измерения в свою очередь содержит блок тепловизоров, блок цифровых камер и блок одноэлементных фотоприемников для приема сигналов в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн. Аналогово-цифровой преобразователь содержит универсальный скоростной многоканальный АЦП/ЦАП логический анализатор. ЭВМ обработки результатов измерения лазерно-локационных характеристик объекта содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения процессор, оперативно запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, вводно-выводное устройство, монитор с сенсорной панелью управления, съемный блок памяти программ измерения, съемный блок памяти исходных данных и съемный блок памяти результатов измерений лазерно-локационных характеристик объекта.
Конструкция предлагаемой установки, включающая поглощающий экран, а также лазерное приемопередающее устройство, приемник фонового излучения, отраженного от поглощающего экрана и механизм для подвески и вращения объекта измерения между лазерным приемопередающим устройством и поглощающим экраном, соединенные через интерфейсный порт и/или аналогово-цифровой преобразователь с ЭВМ обработки результатов измерения лазерно-локационных характеристик объектов, позволяет обеспечить измерение локационных характеристик объектов в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн. Следствием этого является решение поставленной технической задачи и достижение заявленного технического результата.
Выполнение конструктивных элементов предложенной установки на известной элементной базе позволяет дополнительно упростить реализацию установки для измерений лазерно-локационных характеристик объектов.
На фиг.1 представлена функциональная схема установки для измерения лазерно-локационных характеристик объектов; на фиг.2 -функциональная схема ее ЭВМ.
Установка включает поглощающий экран 1, а также лазерное приемопередающее устройство 2 для передачи и приема сигналов в инфракрасном (ИК), видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн, приемник 3 фонового излучения 4, отраженного от поглощающего экрана 1 и механизм 5 для подвески и вращения объекта 6 измерения между лазерным приемопередающим устройством 2 и поглощающим экраном 1, соединенные через интерфейсный порт (для элементов установки с цифровым выходом) и/или через аналогово-цифровой преобразователь 7 (для элементов установки с аналоговым выходом) с ЭВМ 8 обработки результатов измерения лазерно-локационных характеристик объектов 6. Лазерное приемопередающее устройство 2 содержит передающий канал 9 с формирующей оптикой 10 для облучения объекта 6 измерения и приемный канал 11 для приема отраженного лазерного излучения 12 от объекта 6 измерения. Приемный канал 11 содержит блок одноэлементных фотоприемников, блок цифровых камер и блок тепловизоров (на фигуре не показано), обеспечивающих прием отраженных лазерных сигналов в ультрафиолетовом, видимом и ИК - диапазонах электромагнитных волн. Аналогово-цифровой преобразователь 7 (АЦП) содержит универсальный скоростной многоканальный АЦП/ЦАП/логический анализатор, например типа «USB-3000». ЭВМ 7 содержит установленные на двунаправленной активной шине 13 сопряжения процессор 14, оперативно запоминающее устройство 15, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство 16, вводно-выводное устройство 17, монитор 18 с сенсорной панелью управления, съемный блок 19 памяти программ измерения, съемный блок 20 памяти исходных данных и блок 21 памяти результатов измерений лазерно-локационных характеристик объекта 6. Приемник 3 фонового излучения 4 по конструкции аналогичен приемному каналу 11 и ориентирован оптической осью на экран 1. Экран 1 выполнен из поглощающего материала в ультрафиолетовом, видимом и ИК - диапазонах электромагнитных волн и установлен на оптической оси приемопередающего устройств 2 за объектом 6. Объект 6 подвешен на тонких фалах на механизме 5 вращения между экраном 1 и устройством 2.
При этом для сбора и предварительной обработки данных в ходе проведения экспериментальных работ на предложенной установке (фиг.1) используется пакет программного обеспечения "Анализатор USB-3000", введенный в съемную память 19 ЭВМ 8 и позволяющий в режиме реального времени:
- производить сбор данных по восьми каналам с частотой работы АЦП ″USB-3000″ и возможностью внешней синхронизации;
- производить элементарные операции с данными, получаемыми по информационным каналам, и записывать их в виртуальный канал данных;
- решать задачу статистической обработки сигналов по любому из каналов (включая виртуальный) с отсечкой записи по внешнему синхроимпульсу;
Установка для измерения лазерно-локационных характеристик объектов работает следующим образом.
R
R
R
R
с
о
ф
с
3
-1
Исследуемый объект 6 подвешивают на механизме 5 вращения с помощью тонких фалов для уменьшения их влияния на результаты измерений. Одновременно к вводно-выводному устройству 17 ЭВМ 8 подключают съемный блок памяти 19 программ измерений для объекта 6. Затем подают электропитание на элементы установки для измерения лазерно-локационных характеристик объектов 6. При этом процессор 14 ЭВМ 8 считывает данные блоков 19 и 20 памяти соответственно программ измерений и исходных данных для измерений лазерно-локационных характеристик объекта 6 в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство 16. Далее процессор 14 в соответствии с введенной программой измерений выдает командные сигналы на механизм 5 вращения объекта 6, приемопередающее устройство 2 и приемник 3 фонового излучения. При этом объект 6 приходит во вращение в горизонтальной плоскости с периодом T секунд на оптической оси приемопередающего устройства 2. Зондирующий луч 22, модулированный по амплитуде частотой F≥2π·10(T) направляется на объект 6 измерения. Оптика 10 передающего канала 9 формирует поле лазерного излучения с равномерной в поперечном сечении интенсивностью и линейными размерами, соответствующими максимальным вертикальному и горизонтальному геометрическим размерам исследуемого объекта 6. Модулированное с частотой F излучение Р, состоящее из аддитивной суммы отраженного объектом 6 сигнала с мощностью Р и рассеянного поглощающим экраном 1 сигнала мощностью P, принимается приемным каналом 11, преобразуется в электрический сигнал, поступает в аналогово-цифровой преобразователь 7 и передается для обработки в ЭВМ 8. При этом в соответствующую ячейку памяти 15 ЭВМ 8 вносится численное значение величины Р, определяемое из условия (1)
(1)
с
Одновременно модулированное фоновое излучение 4, рассеянное поглощающим экраном 1, попадает на вход приемника 3 фонового излучения, сигнал с которого также поступает на АЦП 7 для последующего вычитания в ЭВМ 8 из основного сигнала Р. Кроме этого, на АЦП 7 поступает сигнал от устройства 23 контроля мощности лазера для автоматического регулирования усиления электронного тракта передающего канала 9. После обработки на ЭВМ 8 сигналы сохраняются в заданном программой памяти 19 формате для каждого значения угла поворота объекта 6. При этом в памяти 15 ЭВМ 8 формируется зависимость величины отраженного сигнала от угла поворота объекта 6 (диаграмма обратного рассеяния). После регистрации указанной зависимости ЭВМ 8 проводит калибровку приемопередающего устройства 2. При этом на механизм 5 вращения вместо исследуемого объекта 6 устанавливают эталонные отражатели 24 с различными известными значениями эффективной площади рассеяния (ЭПР) электромагнитных волн ультрафиолетового, видимого и ИК - диапазонов. При этом в качестве эталонных отражателей используются плоские диски с диффузным характером отражения, размещаемые перпендикулярно падающему излучению. Их коэффициенты отражения и ЭПР определяются на отдельной измерительной установке и вносятся в съемную память 20 исходных данных ЭВМ 8.
Далее ЭПР объекта σ рассчитывается в соответствии с выражением:
,(2)
с
где Р - сигнал от объекта;
ф
Р - сигнал от модулированного фона при регистрации сигнала от объекта;
эi
P - сигнал от i-го эталона;
i
σ - ЭПР i-го эталона;
фi
Р - сигнал от фона при регистрации сигнала от i-го эталона.
Количество эталонных отражателей n выбирается из условия технически реализуемого динамического диапазона измерительной установки с учетом следующих условий:
,(3)
или ⎕,(4)
1
n
где σ и σ - ЭПР первого и n-го эталонного отражателя;
и  - минимальное и максимальное значения измеренных ЭПР объекта.
Таким образом:
,(5)
где Δσ - необходимая дискретность значений ЭПР при калибровке, которая выбирается исходя из требуемой точности определения участков диаграммы обратного рассеяния.
В случае проведения измерений характеристик масштабных моделей объектов их эффективная площадь рассеяния пересчитывается в ЭПР реальных объектов
,(6)
m
где σ - ЭПР модели;
N - ее масштаб относительно реального объекта.
При измерениях на установке для решения задач измерения лазерно-локационных характеристик (ЛЛХ) объектов используют три канала АЦП: фоновый, сигнальный и синхронизации. ЭВМ 8 в соответствии с программой "Анализатор USB-3000" в режиме реального времени производит вычитание сигнального и фонового каналов и запись результатов в виртуальный канал. При этом в качестве эталонных отражателей используются плоские диски с диффузным характером отражения, размещаемые перпендикулярно падающему излучению. Их коэффициенты отражения и ЭПР определяются на отдельной измерительной установке.
Измерение отражательных характеристик объектов с помощью цифровой камеры осуществляется путем выделения изображения объекта и сравнения сигналов, отраженных от его элементов, с уровнем сигналов, отраженных от эталонной миры.
Далее ЭПР объекта определяется по формуле:
,(7)
i,j
где U - яркость пикселя изображения объекта;
э
U - яркость пикселя изображения эталона;
уд.эт
σ - удельная ЭПР эталона;
ΔS - площадь пикселя изображения.
При использовании тепловизора оценка ЭПР объекта осуществляется на основе сравнения ИК изображения объекта с его активным ИК изображением при подсветке лазерным ИК - излучением.
В этом случае ЭПР объекта определяется соотношением
,(8)
i,j
э
где T, T - яркостная температура пикселя изображения объекта и эталона;
∗
∗
i,j
э
T , T  - яркостная температура пикселя изображения объекта и эталона освещенных лазером;
r - поверхностная плотность излучения;
1
2
λ, λ - границы спектрального диапазона работы тепловизора.
Следовательно, данная измерительная аппаратура обеспечивает получение угловых зависимостей ЭПР объектов без влияния фона и атмосферных искажений.
Полезная модель разработана на уровне экспериментальной установки и программ измерения локационных характеристик объектов.
Источники информации:
1. 1 RU 2329475, кл. GO1J 1/00, 2007.
2. RU 2305852, кл G01S 7/40, G01R 29/08, 2007.
3. RU 95110342, кл. G01R 29/08, 1997.
4. RU 2326400, кл. G01S 13/00, 2008.
5. Непогодин И.А. Отражательные характеристики и информативность признаков (сигнатур) объектов и фонов в лазерной локации.//«Научно-производственное объединение «Государственный институт оптики» (1957-1997 г.г.)»/ под редакцией С.Д.Мирумянца, Часть II, - Казань «Дом печати», 1997. Стр. 428-457.
6. RU 2342672, кл. G01R 29/08, G01S 13/00, 2008.