Бистатический лазерный монитор
BISTATIC LASER MONITOR

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к неразрушающему контролю и диагностике оптическими методами, и может быть использовано для визуализации объектов и быстропротекающих процессов, в том числе экранированных от наблюдателя фоновой засветкой.
Известен лазерный проекционный микроскоп [Патент РФ №2144204, МПК7 G02B21/00, опубл. 10.01.2000 г.], который содержит соосно установленные объектив и лазерный усилитель, оптический затвор и систему регистрации изображения, выполненную в виде телевизионной камеры и связанную с компьютером.
Недостатком устройства является отсутствие системы синхронизации лазерного усилителя и телевизионной камеры, а также время экспозиции, превышающее период повторения импульсов излучения. Такой способ регистрации приводит к формированию каждого кадра несколькими импульсами сверхсветимости, в результате чего изображения могут содержать искажения вследствие нестабильности разряда в активной среде усилителя, вибрации элементов оптической схемы и изменений объекта наблюдения.
Известен лазерный проекционный микроскоп [Абрамов Д.В., Галкин А.Ф., Жаренова С.В., Климовский И.И., Прокошев В.Г, Шаманская Е.Л. Визуализация с помощью лазерного монитора взаимодействия лазерного излучения с поверхностью стекло- и пироуглерода // Известия Томского политехнического университета - 2008. - Т.312. - №2. - С.97-101], выполненный на основе активной среды на парах меди, возбуждаемой с частотой следования импульсов 16 кГц. Система регистрации выполнена на основе CMOS-сенсора, связанного с компьютером и осуществляющего съемку с частотой до 5000 кадров в секунду (временное разрешение - 0,2 мс).
Недостатком устройства является также отсутствие системы синхронизации лазерного усилителя и системы регистрации. В связи с этим изображения, формируемые данным лазерным проекционным микроскопом, содержат искажения, вызванные всеми выше перечисленными причинами. Если время экспозиции (tэ) устанавливается в диапазоне T<tэ<2T, то изображение формируется одним или двумя импульсами. Увеличение времени экспозиции приводит к тому, что изображения формируются большим числом импульсов излучения. Уменьшение времени экспозиции (t<T) приводит к тому, что записанный видеофайл будет содержать “пустые” кадры, полученные в межимпульсный период.
Известно устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей [Губарев Ф.А., Ли Л., Мостовщиков А.В., Ильин А.П. Патент на изобретение №2687308. Название: Устройство для исследования процесса горения порошков металлов или их смесей. Дата государственной регистрации: 13.05.19. Правообладатель: НИ ТПУ (RU)], содержащее лазерный усилитель яркости, с одной стороны от которого расположены объектив и объект исследования, а с другой стороны размещен экран. Кроме того, устройство содержит два фотодиода, один из которых используется для регистрации начала воздействия инициирующего излучения на объект исследования, а другой - для получения информации об изменении коэффициента отражения поверхности объекта исследования. Фотодиоды подключены к осциллографу, который соединен с персональным компьютером. Устройство позволяет формировать оптическое изображение объекта исследования с одновременной фильтрацией (подавления) мощного фонового излучения.
Недостатком устройства является отсутствие системы регистрации изображения, в связи с чем наблюдать исследуемый процесс возможно только на проекционном экране.
Известен лазерный проекционный микроскоп [Тригуб М.В., Евтушенко Г.С., Губарев Ф.А., Торгаев С.Н. Патент на изобретение №2463634. Название: Лазерный проекционный микроскоп (варианты). Дата государственное регистрации: 24.05.11. Правообладатель: НИ ТПУ (RU)], содержащий лазерный усилитель, с одной стороны от которого вдоль оптической оси расположены объектив и объект наблюдения, а с другой размещена система формирования изображения и экран. Также устройство содержит систему регистрации изображения, выполненную на основе высокоскоростной CCD-камеры, направленной на экран и связанной с персональным компьютером и схемой синхронизации, к которой также подключен полупроводниковый источник накачки. Лазерный усилитель выполнен на основе активной среды на парах бромида меди. Высокоскоростная CCD-камера может устанавливаться вместо экрана, то есть соосно с лазерным усилителем яркости. Работа CCD-камеры и полупроводникового источника накачки лазерного усилителя согласовывалась схемой синхронизации, что позволяет формировать кадр одним импульсом усиления. Изображение, которое регистрируется камерой, формируется за счет подсветки объекта наблюдения излучением сверхсветимости усилителя яркости. Это определяет недостатки устройства. Недостатками устройства являются отсутствие возможности независимого изменения параметров подсветки объекта и усиления изображения, т.к. эти функции выполняет один элемент, ограниченная максимальная дистанция до объекта наблюдения, ограниченные область зрения и численные показатели качества регистрируемого изображения.
В качестве прототипа выбрано устройство [Васнев Н. А. Разработка модулятора для бистатического лазерного монитора // Ресурсоэффективным технологиям - энергию и энтузиазм молодых: сборник научных трудов VII Всероссийской конференции, Томск, 27-29 Апреля 2016. - Томск: Изд-во ТПУ, 2016 - C. 148-151], содержащее внешний источник подсветки и усилитель яркости на парах бромида меди. Использование двух активных элементов позволяет независимо регулировать параметры подсветки и усиления изображения. Оптическое изображение объекта исследования формируется источником подсветки и объективом, а повышение его яркости осуществляется в среде усилителя при наличии инверсной населенности. Синхронизация работы источника подсветки и усилителя яркости обеспечивается за счет регулировки временной задержки между переключением высоковольтных коммутаторов первого и второго источника накачки. В качестве коммутаторов используются тиратроны, а регулировка задержки осуществляется переменной индуктивностью. К недостаткам устройства следует отнести отсутствие системы синхронизации, позволяющей синхронизировать работу источников питания на основе полупроводниковых коммутаторов, а также синхронизировать работу монитора с системой регистрации изображения.
Задача, решаемая изобретением: получение улучшенных по качеству изображений объектов, экранированным фоновым излучением.
Указанная задача решена за счет введения блока синхронизации частотно-временных параметров работы системы регистрации изображения, внешнего источника подсветки и усилителя яркости, что обеспечивает формирование изображения одиночным импульсом подсветки и его усиление одиночным импульсом усилителя, что позволяет улучшить численные показатели качества изображений, а также получать изображения удаленно расположенных объектов, дистанция до которых ограничивается только светосилой пассивных компонентов (объективов), а не длительностью импульса усиления усилителя яркости.
Технический результат заключается в регистрации изображений с улучшенными численными показателями качества, сформированных одиночным импульсом подсветки и усиленным одиночным импульсом усиления, за счет синхронизации частотно-временных параметров работы внешнего источника подсветки, усилителя яркости и системы регистрации изображений.
Технический результат достигается за счет согласования  системы синхронизации временных параметров работы высокоскоростного регистратора с источниками возбуждения усилителя яркости и источника подсветки. За счет этого достигается независимое изменение параметров подсветки, (интенсивность импульса подсветки, площадь пучка, степень когерентности, поляризация и т.д.), усиления (коэффициент усиления, уровень шума) и момента поступления изображения на вход усилителя яркости, что способствует улучшению численных показателей качества изображений, сформированного одиночным импульсом усиления, увеличению области зрения и отсутствие ограничения предельной дистанции до наблюдаемого объекта длительностью импульса усиления усилителя яркости.
Сущность изобретения заключается в том, что система синхронизации обеспечивает согласование момента регистрации изображения объекта, за счет формирования синхроимпульса для высокоскоростной камеры, а также для систем возбуждения источника подсветки и усилителя яркости. Тем самым обеспечивается синхронная работа высоковольтного модулятора, формирующего импульсы для управления источником подсветки и усилителем яркости, со скоростным регистратором, что обеспечивает регистрацию изображения объекта, сформированного одиночным импульсом подсветки и усиленным одиночным импульсом усиления. Разделение функций подсветки наблюдаемого объекта и усиление яркости его изображения между двумя независимыми элементами, работа которых согласована между собой и с работой высокоскоростного регистратора позволяет улучшать численные показатели качества изображения и снижать искажения, вносимые усилителем яркости изображения.
Устройство поясняется чертежом на фиг.1.
Устройство включает следующие элементы:
1 – система синхронизации (СС); 2 – задающий генератор (ЗГ); 3 – блок формирования импульсов (БФИ); 4 – блок управления (БУ); 5 – высокоскоростная камера; 6 – объект наблюдения; 7, 8 – источники накачки (ИН1, ИН2); 9, 10 –  формирователи высокого напряжения (ФВН1, ФВН2); 11, 12 – высоковольтные коммутаторы  (К1, К2); 13 – источник подсветки (ИП); 14 – усилитель яркости (УЯ); 15 – объектив; 16 – проекционный экран; 17 – персональный компьютер (ПК).
Бистатический лазерный монитор содержит систему синхронизации 1 (СС), которая состоит из задающего генератора 2 (ЗГ), блока формирования импульсов 3 (БФИ) и блока управления 4 (БУ). Блок формирования импульсов 3 (БФУ) сопряжен с блоком управления 4 (БУ), высокоскоростной камерой 5 и объектом наблюдения 6. Блок управления 4 (БУ) сопряжен с источниками накачки 7 (ИН1) и 8 (ИН2), каждый из которых содержит формирователь высокого напряжения 9 (ФВН1) и 10 (ФВН2), а также высоковольтный коммутатор 11 (К1) и 12 (К2). Источники накачки 7 (ИН1) и 8 (ИН2) сопряжены с источником подсветки 13 (ИП) и усилителем яркости 14 (УЯ) соответственно. Источник подсветки 13 (ИП) освещает объект наблюдения 6, который располагается вдоль оптической оси усилителя яркости 14, также как и объектив 15. С другой стороны усилителя яркости 14 располагается проекционный экран 16 и высокоскоростная камера 5, которая сопряжена с персональным компьютером 17 (ПК) и блоком формирования импульсов 3 (БФИ).
Источник подсветки 13 (ИП) и усилитель яркости 14 (УЯ) выполнены на основе активных сред на парах бромида меди. Т.к. оптимальные условия с точки зрения подсветки и с точки зрения усиления яркости изображения для подобных активных элементов отличаются, разделение функции подсветки и усиления между различными элементами позволяет независимо изменять параметры импульса подсветки и параметры усиления. Источники накачки 7 (ИН1) и 8 (ИН2) выполнены на основе схемы с импульсным зарядом накопительных конденсаторов с помощью формирователей высокого напряжения 9 (ФВН1) и 10 (ФВН2) и их последующего разряда с помощью коммутаторов 11 (К1) и 12 (К2). Это обеспечивает формирование высоковольтных импульсов возбуждения для источника подсветки 13 (ИП) и усилителя яркости 14 (УЯ). Блок формирования импульсов 3 (БФИ) формирует сигналы для блока управления 4 (БУ), высокоскоростной камеры 5 и объекта наблюдения 6. Блок управления 4 (БУ) формирует импульсы для формирователей высокого напряжения 9 (ФВН1) и 10 (ФВН2), а также для высоковольтных коммутаторов 11 (К1) и 12 (К2). Регистрация изображений осуществлялась с помощью высокоскоростных камер, например, AOS Q-PRI или Baumer VLG-20C, на вход управления которой поступает сигнал от блока формирования импульсов 3 (БФИ).
Устройство работает следующий образом: в системе синхронизации 1 (СС) задающий генератор 2 (ЗГ) формирует последовательность цифровых импульсов в частотном диапазоне (1÷100) кГц, поступающих на вход блока формирования импульсов 3 (БФИ). Блок формирования импульсов 3 (БФИ) имеет три электрических выхода, для которых уровень логического “0” составляет 0 В, а уровень логической “1” составляет 15 В. Каждый электрический выход дублируется оптическим выходом, сигнал на котором формируется с помощью оптоволоконного передатчика, например, HFBR-1521Z. Блок формирования импульсов 3 (БФИ) формирует импульс синхронизации для блока управления 4 (БУ), после поступления которого на выходе блок управления 4 (БУ) формируется сигнал, поступающий на входы формирователей высокого напряжения 9 (ФВН1) и 10 (ФВН2), что инициирует заряд емкостных накопителей энергии. После завершения заряда емкостных накопителей блок управления 4 (БУ) формирует импульсы управления для высоковольтных коммутаторов 11 (К1) и 12 (К2), что приводит к формированию импульсов возбуждения источника подсветки 13 (ИП) и усилителя яркости 14 (УЯ). Блок управления 4 (БУ) позволяет осуществлять плавную задержку между импульсами (-55 до +55 нс), инициирующими  переключение высоковольтных коммутаторов 11 (К1) и 12 (К2). После формирования импульса возбуждения источником накачки 7 (ИН1), источник подсветки 13 (ИП) освещает объект наблюдения 6, на управляющий вход которого поступает сигнал от блока формирования импульсов 3 (БФИ) с задержкой относительно импульса подсветки. Объектив 15 формирует изображение объекта в плоскости экрана 16. Для усиления яркости формируемого изображения осуществляется предварительное возбуждение усилителя яркости 14 (УЯ) за счет формирования импульса возбуждения источником накачки 8 (ИН2), задержка которого регулируется в блоке управления 4 (БУ). Регулировка задержки между импульсами возбуждения источника подсветки 13 (ИП) и усилителя яркости 14 (УЯ) осуществляется в блоке управления 4 (БУ) с учетом дистанций между ними и объектом наблюдения 6. На вход управления высокоскоростной камеры 5 поступает сигнал с выхода блока формирования импульсов 3 (БФИ), который инициирует процесс записи изображения с задержкой, достаточной для запуска камеры 5 в момент, когда в плоскости экрана 16 сформировано усиленное изображение. За счет синхронизации режима работы источника подсветки 13 (ИП), усилителя яркости 14 (УЯ) и высокоскоростной камеры 5, достигается регистрация изображения наблюдаемого объекта 6, расположенного на дистанции свыше 3 м от усилителя яркости 14 (УЯ), сформированного одиночным импульсом источника подсветки 13 (ИП) и усиленного одиночным импульсом усилителя яркости 14 (УЯ). Камера 5 также может располагаться в плоскости экрана при согласовании параметров изображения со светочувствительным элементом.