СПОСОБ ПАССИВНОЙ ЛОКАЛИЗАЦИИ РЕБЕР ПРЯМОУГОЛЬНОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕДА В ИНФРАКРАСНОМ ИЗЛУЧЕНИИ
METHOD FOR PASSIVE LOCATION OF EDGES OF METAL RECTANGULAR PARALLELEPIPED IN INFRARED RADIATION

Изобретение относится к бесконтактным пассивным методам обнаружения и локализации металлических объектов в инфракрасном (ИК) излучении, а именно к локализации металлических тел в форме прямоугольного параллелепипеда путем регистрации излучаемого ими теплового ИК-излучения, и может найти применение в системах спецтехники, предназначенных для обнаружения и установления точного местонахождения и расположения металлических предметов в непрозрачной для видимого света среде или упаковке, в системах поточного контроля служб безопасности, в контрольно-измерительной технике, в линиях связи и устройствах обработки информации на основе металлодиэлектрических планарных структур.
Способ локализации нагретых тел по их ИК-излучению лежит в основе тепловидения [В.В.Коротаев, Г.С.Мельников, С.В.Михеев, В.М.Самков, Ю.И.Солдатов. Основы тепловидения // СПб.: НИУ ИТМО, 2012. - 122 с].
Известен способ пассивной локализации металлических предметов в терагерцовом (ТГц) излучении, основанный на регистрации интенсивности теплового излучения объектов в дальней волновой зоне и последующем анализе пространственного распределения интенсивности [Hong S., Miller T.W., Borchers В., and Hendri J.M.H. Land mine detection in bare soils using thermal infrared sensors // Proc. SPIE, 2002, V. 4742, p.43-50; Dodson C, Fitch M.J., Osiander R. Terahertz imaging for anti-personnel mine detection // Proc. SPIE, 2005, V. 5790, p.85-92; Grossman E., Dietlein Ch., Ala-Laurinaho J., et al. Passive terahertz camera for standoff security screening // Appl. Optics, 2010, V. 49, No. 19, p.Е106-Е120]. Основными недостатками такого способа являются: 1) размытость контуров изображения предмета, обуславливающая низкую точность определения координат его ребер; 2) низкая обнаружительная способность из-за слабой интенсивности ИК-излучения предмета.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ пассивного исследования поверхности твердого тела, включающий формирование на его исследуемой плоской поверхности из поверхностно-активного материала (с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости) однородного слоя связи толщиной меньше глубины проникновения поля поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), генерируемых на границе «слой связи - твердое тело» тепловыми колебаниями атомов тела, и регистрацию излучения ПЭВ с различными частотами через слой связи в окружающую среду [Никитин А.К. Способ исследования поверхности твердого тела // Патент РФ на изобретение, №2142621. - Бюл. №34 от 10.12.1999 г.]. Основными недостатками известного способа являются: 1) необходимость нанесения на поверхность слоя связи; 2) низкая латеральная разрешающая способность вследствие макроскопической длины распространения ИК ПЭВ (не менее чем на порядок превышающая длину волны излучения); 3) размытость контуров изображения кромок поверхности вследствие дифракции ПЭВ на них.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение точности локализации ребер прямоугольного металлического параллелепипеда и снижение трудоемкости способа.
Технический результат достигается тем, что в известном способе исследования поверхности твердого тела, включающем измерение в дальней волновой зоне пространственного распределения интенсивности поляризованного ИК излучения от тела и определение координат его ребер по результатам измерений, класс исследуемых тел ограничивают металлическими прямоугольными параллелепипедами, тело термостатируют, а измерения выполняют в плоскостях, параллельных граням параллелепипеда, при этом детектируемое излучение поляризуют таким образом, чтобы оно имело отличную от нуля составляющую электрического поля, перпендикулярную к контролируемому ребру.
Повышение точности измерений достигается в результате того, что при реализации способа измерения выполняют не в одной плоскости, параллельной грани, содержащей исследуемое ребро параллелепипеда, а в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельных граням, образующим это ребро. Кроме того, с целью повышение соотношения сигнал/шум, измеряемое излучение поляризуют таким образом, чтобы колебания его электрической составляющей происходили в плоскости, перпендикулярной к контролируемому ребру и перпендикулярной к плоскости измерений, отсекая, таким образом, s-составляющую теплового излучения грани, образующей ребро и перпендикулярной к плоскости измерений.
Снижение трудоемкости реализации способа достигается за счет устранения необходимости нанесения слоя связи на поверхность параллелепипеда до начала измерений и его удаления после завершения измерений.
0
Изобретение поясняется чертежами: на рис.1 - схема устройства, реализующего способ; на рис.2 - зависимость относительной интенсивности I/I объемных волн, порождаемых поверхностными плазмон-поляритонами при их дифракции на прямоугольном ребре направляющей (ППП) плоской поверхности металлической подложки, от угла α, отсчитываемого от прямой, лежащей на поверхности подложки, и нормальной к ребру этой поверхности для излучения с длиной волны λ=5,0 мкм (кривая 1), 10 мкм (кривая 2) и 100 мкм (кривая 3); на рис.3 - качественные зависимости интенсивности детектируемого ИК излучения от координаты детектора в ходе одного его прохода над исследуемой гранью параллелепипеда: кривая 1 - без применения поляризатора; кривая 2 - с использованием поляризатора.
Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, схема которого приведена на рис.1, где цифрами обозначены: 1 - прямоугольный металлический параллелепипед; 2 - регулируемый поляризатор; 3 - линейка фотодетекторов, размещенная на главной фокальной линии цилиндрического объектива 4; 5 - двухкоординатная подвижная платформа, на которой размещены элементы 2, 3 и 4; 6 - гальванометр, подключенный к детектору 4; 7 - устройство обработки информации, поступающей с измерительного прибора 6.
Способ осуществляется следующим образом.
До начала измерений исследуемый параллелепипед 1 фиксируют в пространстве и термостатируют. Далее платформу 2 ориентируют таким образом, чтобы плоскость сканирования линейки 3 была параллельна одной из граней параллелепипеда 1, образующей исследуемое ребро, и находилась в дальней волновой зоне от этой грани. Плоскость пропускания поляризатора 2 устанавливают так, чтобы излучение, фокусируемое объективом 4 на линейку 3, имело отличную от нуля составляющую электрического поля, перпендикулярную к контролируемому ребру. Сканируя платформу 2 над выбранной гранью, измеряют с помощью гальванометра 6 распределение интенсивности I ИК-излучения параллелепипеда в плоскости сканирования. При этом крайние положения главной оптической плоскости объектива 4, достигаемые еЮ при сканировании, должны лежать за пределами проекции грани на плоскость сканирования. Данные с прибора 6 поступают на устройство 7, которое оцифровывает зависимость I(x, y), где x и y - координаты чувствительных элементов линейки 3 на плоскости сканирования.
Известно, что ИК-излучение нагретого твердого тела порождается тепловыми колебаниями ионов кристаллической решетки. Нарушение симметрии у поверхности тела приводит к наличию специфических колебаний атомов кристалла, имеющих волновой вектор, направленный параллельно поверхности [Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса. - М.: Наука, 1985. - с.105-106; Виноградов Е.А., Дорофеев И.А. Термостимулированные электромагнитные поля твердых тел // М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 484 с]. Такие колебания ионов сопровождаются появлением переменных дипольных моментов и, следовательно, электромагнитного поля, фазовая и групповая скорости которого меньше скорости света в окружающей среде, что обуславливает неизлучающий характер такого поля и его экспоненциальное затухание вдоль нормали к поверхности по обоим направлениям. Если кристалл является металлом, то поле, порождаемое тепловыми колебаниями приповерхностных ионов, р-поляризовано, и оно, в свою очередь, обуславливает формирование на поверхности волны свободных электронов. Такой комплекс р-поляризованого излучения и волны свободных зарядов называют поверхностными плазмон-поляритонами (ППП),
Преобразование поля ППП в объемное излучение возможно как методом нарушенного полного внутреннего отражения [Виноградов Е.А., Жижин Г.Н., Мальшуков А.Г. Термостимулированное излучение поверхностных поляритонов // ЖЭТФ, 1977, Т. 73, Вып.4, с.1480-1485], так и в результате дифракции (ППП) на неоднородностях поверхности или внесенных в поле (ППП) объектов [Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Краевые эффекты при распространении поверхностных электромагнитных волн ИК-диапазона вдоль поверхности металла // Письма в ЖЭТФ, 1979, Т. 29, №9, с.533-536]. Тепловое излучение ИК ППП на крае проводящей поверхности исследовалось и наблюдалось в ряде работ [Минаков Д.А., Селиванов В.Н., Зон В.Б., Клюев В.Г., Латышев А.Н., Овчинников О.В. Тепловое излучение при срыве поверхностной волны вблизи края медной пластины // Конденсированные среды и межфазные границы, 2006, Т. 8, №2, с.131-136; Зон В.Б., Зон Б.А., Латышев А.Н., Минаков Д.А., Овчинников О.В. Визуальное наблюдение конверсии тепловых поверхностных плазмон-поляритонов в фотоны // УФН, 2011, Т. 181, №3, с.305-306].
В работе [Зон В.Б., Зон Б.А., Клюев В.Г., Латышев А.Н., Минаков Д.А., Овчинников О.В. Новый способ измерения поверхностного импеданса металлов в ИК-области // Оптика и спектроскопия, 2010, Т. 108, №4, с. 677-679] установлено, что объемные волны, порождаемые ППП при дифракции на прямоугольном крае направляющей их плоскогранной металлической подложки, излучаются преимущественно в том же направлении, в котором распространялись ППП. Причем угловое распределение числа фотонов Р(α), порождаемых в результате конверсии ППП, является лоренцовым и описывается выражением:
<mrow><mi>P</mi><mrow><mo>(</mo><mi>α</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>Im</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ς</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><mi>π</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msup><mi>α</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>Im</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ς</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>ς</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mi>μ</mi><mo>/</mo><mi>ε</mi></mrow></msqrt></mrow>
где α - отсчитывается здесь от прямой, лежащей на плоской поверхности подложки, направляющей ППП, и нормальной к ребру этой поверхности;
- поверхностный импеданс металла, µ и ε - магнитная и диэлектрическая проницаемости металла, соответственно.
Из формулы (1) следует, что угловая ширина зависимости Р(α), т.е. диаграммы направленности объемных волн, излучаемых ППП, уменьшается с ростом X, поскольку для металлов в ИК диапазоне |Im(ς)|~λ.
Так как интенсивность излучения ППП во много раз превосходит интенсивность ИК-излучения плоской поверхности металла под углом к ней [Минаков Д.А., Селиванов В.Н., Зон В.Б., Клюев В.Г., Латышев А.Н., Овчинников О.В. Тепловое излучение при срыве поверхностной волны вблизи края медной пластины // Конденсированные среды и межфазные границы, 2006, Т. 8, №2, с.131-136], то координаты "гребня" интенсивности (обусловленного излучением ППП с грани, образующей исследуемое ребро и перпендикулярной плоскости сканирования) на измеренной зависимости I(x, y) будут соответствовать двум координатам исследуемого ребра. С целью повышения контраста изображения ребра поляризатором 2 добиваются максимального фототока с пикселей линейки 3 при нахождении их в точках, проецируемых на вершину "гребня".
Аналогичные измерения, выполненные для второй грани ребра, дадут другую совокупность координат ребра, например (х, z). Объединив результаты измерений для обеих граней ребра, можно получить однозначный набор координат ее точек в пространстве. При этом точность определения координат определяется как размером пикселей линейки 3, так и длиной волны X детектируемого излучения (угловая ширина диаграммы направленности объемных волн, излучаемых ППП, обратно пропорциональна λ).
3
-10
В качестве примера применения заявляемого способа рассмотрим возможность локализации ребра металлической пластины в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами 15×50×0,5 мм. Регистрацию излучения будем осуществлять на длине волны λ=10 мкм болометрической матрицей, состоящей из 320×240 пикселей, размером 51×51 мкм каждый, имеющих в диапазоне 8-14 мкм пороговую мощность 1,6×10 Вт/пиксел [Демьяненко М.А., Есаев Д.Г., Овсюк В.Н., Фомин Б.И., Асеев А.Л., Князев Б.А., Кулипанов Г.Н., Винокуров Н.А. Матричные микроболометрические приемники для ИК и ТГц диапазонов // Оптический журнал, 2009, т.76, №12, с.5-11], и снабженную прозрачным для излучения с λ=10 мкм полосовым фильтром.
0
0
p
τ
-1
-1
На рис.2 представлены зависимости I/I(α), где I=I при α=0, рассчитанные по формуле (1) для излучения с λ=5,0 мкм (кривая 1), 10 мкм (кривая 2) и 100 мкм (кривая 3). При этом для расчета диэлектрической проницаемости меди была использована модель Друде с подстановкой в нее значений плазменной частоты ω=59600 см и столкновительной частоты свободных электронов ω=73,2 см [Ordal М.А., Bell R.J., Alexander R.W. et al. Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V, and W // Appl. Optics, 1985, v.24, No.24, р.4493-4499]. Видно, что угловая ширина диаграммы направленности излучения, порождаемого дифрагирующими на ребре параллелепипеда термостимулированными ППП, обратно пропорциональна λ детектируемого излучения. Полагая точность измерения интенсивности равной 1%, можно утверждать, что точность определения направления максимума индикатрисы излучения с λ=10 мкм не хуже 10', что в пересчете на линейные размеры, при размещении матрицы на расстоянии 10 см от контролируемой грани, даст погрешность определения координаты точки ребра параллелепипеда вдоль направления сканирования, примерно равную размеру пикселя матрицы, т.е. около 50 мкм. При применении же способа-прототипа погрешность определения координат точек ребра в направлении сканирования достигает при прочих равных условиях нескольких миллиметров (из-за дифракции ППП на ребре параллелепипеда), что примерно на два порядка ниже точности, достигаемой заявляемым способом. Переход на детектирование более длинноволнового излучения позволит еще более увеличить это различие (сравните угловую ширину кривых 2 и 3).
На рис.3 представлены качественные зависимости интенсивности детектируемого ИК излучения от координаты данного пикселя линейки 3 в ходе одного его прохода над исследуемой гранью параллелепипеда: пунктирная линия - без применения поляризатора, сплошная линия - с использованием поляризатора.
Таким образом, приведенный пример наглядно демонстрирует возможность более точной локализации ребер прямоугольного металлического параллелепипеда заявляемым способом с одновременным снижением трудоемкости измерений за счет устранения необходимости нанесения на поверхность параллелепипеда слоя связи.