УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ, РАССЕИВАЮЩИХ СВЕТ В ВОДЕ

Полезная модель относится к опто-электронным лазерным обнаружительным устройствам для обнаружения оптических неоднородностей, рассеивающих свет в воде, и может быть использована для обнаружения оптических возмущений, возникающих при движении различных объектов в воде.
Известно устройство обнаружения оптических и оптикоэлектронных объектов посредством сканирования лоцируемого пространства, содержащее лазерный излучатель с блоком питания, оптически сопряженный с формирующим лазерное излучение оптическим элементом, фотоприемное устройство с входным объективом, блок обработки сигнала, соединенный входом с выходом фотоприемного устройства [1]. Это устройство обладает низкой разрешающей способностью и не позволяет обнаруживать оптические неоднородности в водной среде.
Известно устройство для обнаружения оптических неоднородностей водной среды, содержащее последовательно расположенные источник света, первый объектив, конденсор, нож Фуко, второй объектив и фотоприемник [2]. Это устройство обладает низкой разрешающей способностью при послойном зондировании водной среды
Известно устройство для зондирования распределения уровня рассеянного света по глубине, содержащее импульсный лазерный источник излучения, приемную оптическую систему и фотоприемное устройство на основе фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) [3]. Устройство позволяет регистрировать временную развертку (распределение по глубине) рассеянного назад излучения, то есть регистрировать единственную характеристику - распределение мощности возмущений по глубине. Пространственное разрешение определяется длительностью лазерного импульса, а для этого устройства с длительностью импульса ≈20 не составляет около 4 метров, что является довольно грубым и недостаточным для тонкослойных измерений.
Известно устройство обнаружения оптических возмущений, рассеивающих свет в воде, являющееся по технической сущности наиболее близким к предлагаемому [4]. Устройство состоит из импульсного лазерного источника излучения с блоком управления, формирующим импульсы запуска импульсного лазерного источника излучения, приемной оптической системы и фотоприемного устройства. В устройстве установлен импульсный лазер с длительностью импульсов ≈10 нс. Регистрация рассеянного назад излучения осуществляется с помощью ФЭУ. Уменьшение длительности импульса позволило обеспечить разрешающую способность по глубине до 2 метров.
Это устройство также как и устройство [3] позволяет регистрировать только распределение рассеянного назад излучения, но с лучшим разрешением и в двух поляризациях. Разрешение по глубине в 2 метра еще недостаточно для изучения тонких слоев. Устройство невосприимчиво к движению рассеивающих частиц, отмечается только принципиальная возможность обнаружения оптических возмущений, рассеивающих свет в воде, в частности, слоев мутности и слоев, насыщенных пузырьками воздуха..
Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение разрешающей способности при послойном зондировании водной среды и обеспечение возможности определения наличия или отсутствия движения воды в этих слоях, а также направления движения.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что в устройство обнаружения оптических возмущений, рассеивающих свет в воде, состоящем из импульсного лазерного источника излучения, подключенного к блоку управления лазером, формирующему импульсы запуска импульсного лазерного источника излучения, приемной оптической системы, связанной с блоком управления лазером, фотоприемное устройство выполнено в виде цифровой фотокамеры с ПЗС-матрицей, поверхность которой сопряжена с приемной оптической системой и служит также экраном для формирования когерентных спекл-изображений, а фотокамера снабжена управляющей системой, связанной с блоком управления лазером и формирующей задержанные относительно импульса лазерного излучения строб-импульсы, включающие цифровую фотокамеру.
Причем управляющая система фотокамеры формирует задержанные относительно импульса лазерного излучения строб-импульсы, которые обеспечивают срабатывание цифровой камеры с заданной задержкой от лазерного импульса и на заданный промежуток времени в наносекундном и в субнаносекундном интервале времен.
Импульсный лазерный источник излучения выполнен, в частности, в виде одномодового высококогерентного лазера с длительностью импульсов в интервале от 1 до 20 наносекунд.
Фотокамера имеет выход для подключения к системе обработки спекл-изображений.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - схема предлагаемого устройства.
на фиг.2 - характерное изображение, полученные после корреляционной обработки фонового сигнала от неподвижного изучаемого слоя воды:
на фиг.3 - характерное изображение, полученные после корреляционной обработки сигнала от того же слоя при наличии оптического возмущения.
На фиг.1 обозначены:
1 - импульсный лазерный источник излучения;
2 - блок управления лазером;
3 - приемная оптическая система,
4 - цифровая фотокамера,
5 - ПЗС-матрица;
6 - управляющая система фотокамеры,
7 - система обработки спекл-изображений.
Импульсный лазерный источник 1 излучения выполнен, в частности, в виде одно-модового высококогерентного лазера с длительностью импульсов в интервале от 1 до 20 наносекунд.
К лазеру 1 подключен блок 2 управления лазером, формирующий импульсы запуска импульсного лазерного источника излучения.
Фотоприемное устройство выполнено в виде цифровой фотокамеры 4 с ПЗС-матрицей 5.
ПЗС-матрица 5 (сокращенное от «прибор с зарядовой связью») представляет собой специализированную аналоговую интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных фотодиодов, выполненную на основе кремния и использующую технологию ПЗС-приборов с зарядовой связью.
Поверхность ПЗС-матрицы 5 сопряжена с приемной оптической системой 3 и служит также экраном для формирования когерентных спекл-изображений.
Цифровая фотокамера 4 снабжена управляющей системой 6, связанной с блоком 2 управления лазером. Система 6 формирует задержанные относительно импульса лазерного излучения строб-импульсы, включающие цифровую камеру 4.
К выходу цифровой камеры 4 подключена система 7 обработки спекл-изображений.
Предлагаемое устройство работает следующим образом:
Короткий когерентный лазерный импульс (например, длительностью 10 нс) от лазерного источника 1 по сигналу от блока 2 управления направляется в водную среду. Излучение частично рассеивается на оптических неоднородностях в воде, и доля его, рассеянная назад, попадает на приемную оптическую систему 3 и собирается на экран, которым служит поверхность ПЗС-матрицы 5.
Т.к. пришедшее рассеянное излучение когерентно, на экране происходит интерференция всех лучей с образованием спекл-изображения. Управляющая цифровой фотокамерой 4 система 6 по сигналу с блока управления лазером 2 вырабатывает короткий строб-импульс, сдвинутый во времени относительно лазерного импульса. На время строб-импульса цифровая фотокамера 4 с ПЗС-матрицей 5 включается, и получаем цифровую фотографию спекл-изображения. Величина задержки строб-импульса определяет расстояние, с которого получена информация, а ширина его - толщину изучаемого слоя. Т.е. в этом случае, не меняя длительность излучения лазерного источника 1 толщину изучаемого слоя можно изменять. При ширине строб-импульса 1 нс разрешение по толщине составит 20 см, что уже можно считать тонким слоем. Каждые 10 нс задержки соответствуют изменению расстояния на 2,3 м.
Зафиксированное спекл-изображение с цифровой фотокамеры 4 подается на систему 7 обработки спекл-изображений по разработанной корреляционной программе анализа двух спекл-полей. Из общего спекл-изображения выделяются два участка одинакового размера и вычисляются разности значений интенсивностей для сопряженных точек, выделенных двух участков. Затем применяется обратное преобразование Фурье к полученной матрице разностных значений. Когда движения воды в изучаемом слое нет - после обработки имеем ровный фон, яркость которого соответствует уровню пришедшего рассеянного излучения (см. фиг.2).
При наличии возмущения, вызванного движущимся объектом, т.е. при наличии движения воды, после обработки имеем периодическую структуру, (так называемые полосы Юнга), по форме которой можно судить и о направлении движения среды (см. фиг.3).
Пример реализации и использования
Источником излучения служил разработанный в ГОИ им. С.И.Вавилова полностью твердотельный лазер на кристаллах YAG:Nd с накачкой лазерными диодными линейками, работающий на второй гармонике с длиной волны излучения 532 нм. Длительность импульса составляла 10 нс. Энергия в импульсе ≈30 мдж.
Регистрация осуществлялась цифровой электро-оптической камерой со следующими параметрами:
- длительность стробирующего импульса - от 10 нс до 20 мкс с шагом в 10 нс;
- временная задержка срабатывания затвора - от 40 нс до 1300 мкс с шагом в 5 нс;
- размер ПЗС-матрицы -  дюйма;
- разрешение ПЗС-матрицы 780×580.
Корреляционная обработка полученных спекл-фотографий осуществлялась с помощью персонального компьютера Pentium IV.
Натурные испытания устройства проводились в морских условиях. Излучение лазера через вертикально установленную трубу с иллюминатором, опущенным в воду, направлялось вертикально вниз. Приемный блок, расположенный рядом, также был ориентирован приемной оптической системой вниз. Проводилась регистрация спекл-изображений как в фоновых условиях, т.е. без искусственно вызванного возмущения, так и при наличии возмущения, создаваемого движущимся объектом.
На фиг.2, 3 представлены характерные изображения, полученные после корреляционной обработки:
на фиг.2 - характерное изображение, полученные после корреляционной обработки фонового сигнала от неподвижного изучаемого слоя воды;
на фиг.3 - характерное изображение, полученные после корреляционной обработки сигнала от того же слоя при наличии оптического возмущения. Видна четкая периодическая структура. Направление движения воды в слое - перпендикулярно темным линиям.
Таким образом, технический результат заключается в повышении разрешающей способности при послойном зондировании водной среды и обеспечении возможности определения наличия или отсутствия рассеивающих свет оптических возмущений, создаваемых движущимися объектами в подводных слоях воды, а также определения направления этого движения. Кроме того, разрешающая способность по глубине в заявляемом устройстве может быть существенно повышена изменением времени срабатывания фотокамеры, которое может быть выбрано короче, чем длительность лазерного импульса.
Представленные чертежи и описание позволяют, используя существующие материалы и технологии, изготовить предлагаемое устройство промышленным способом и использовать его для обнаружения оптических возмущений, возникающих при движении различных объектов в воде, обнаружения оптических возмущений, рассеивающих свет в воде, в частности,
Источники информации
1. Патент РФ №2223515 на изобретение, МПК G01S 17/00, Н04В 10/00, 2004 г.
2. Патент РФ №51743 на полезную модель, G01N 21/41, 2006 г.
3. Пеннер И.Э., Самохвалов И.В., Шаманаев B.C. «Оптическое зондирование морской фронтальной зоны». Оптика атмосферы, т.1, №12, 1988 г. с.60-66.
4. Степанов А.И., Рогов С.А., Карпов С.Н., Кондрашов В.А., Мальков С.А., Сачава С.И., Самарцев М.С., Спивак Л.А., Тершуков В.А. «Судовой лидар для гидрологических исследований». Оптический журнал, т.75, №2, 2008 г., с.43-49 (прототип).