ИМПУЛЬСНЫЙ ФОТОМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к приборостроению, а именно к технике измерения фотометрических параметров и может найти применение на аэродромах для измерения прозрачности атмосферы и измерения яркости фона с целью обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов.

Наиболее близким по технической сущности и может быть выбран в качестве прототипа импульсный фотометр ФИ-1 (см. труды ГГО, 1986, вып. 493 стр.56-61).

Импульсный фотометр ФИ-1 представлен на фиг.1. Фотометр состоит из отражателя 1, измеряемой среды 2 и оптически связанных защитного стекла 3, объектива 4, импульсного источника света 5, оптического аттенюатора 6, диффузного рассеивателя 7, приемного зеркала 8, фотопреобразователя 9 (например ФЭУ) и блока управления и обработки 10, на выходе которого формируется выходной сигнал, пропорциональный прозрачности измеряемой среды 2. Блок управления и обработки содержит средства периодического сравнения сигнала опорного и измерительного каналов и контур обратной связи, обеспечивающий независимость масштаба выходного сигнала от нестабильности излучателя и приемника. Применяемые на практике варианты структурных схем блока управления и обработки можно разделить на две группы по числу фотопреобразователей. В схемах с одним фотопреобразователем и одним излучателем необходимым элементом является коммутатор оптических каналов. В схемах с двумя фотоприемниками используется источник света, который включается поочередно с основным излучателем. Благодаря временному разделению сигналов основного и дополнительного источников света коммутатор оптических сигналов не нужен. Его роль выполняет электронный коммутатор (а.с. N 1383105, кл. G 01 J 1/44,1986).

Блок управления и обработки в ФИ-1 выполнен из коммутатора КК, управляющего заслонками Д1 и Д2, открывающими и закрывающими поочередно диафрагмы Bx1 и Bx2 диффузного рассеивателя 7, и одновременно синхронно переключателем П1. Пиковый детектор ПД, подключенный к выходу фотопреобразователя 9, подключен к повторителю напряжения ПН и через переключатель П1, подключенный к фильтру частоты коммутации ФЧК или к фильтру частоты коммутации ФЧКо, а далее ФЧКо подключен к последовательно соединенному дифференциальному усилителю ДУ и регулируемому источнику питания РФ, управляющему напряжением питания фотопреобразователя 9, а также источника опорного напряжения ИОН, подключенного ко второму входу дифференциального усилителя ДУ.

Работает импульсный фотометр следующим образом.

Отражатель 1 расположен от защитного стекла 3 на расстоянии 100 м, которое является измеряемой средой 2. В фокальной плоскости приемного зеркала 8 расположен диффузный рассеиватель 7. Сигнал с рассеивателя 7 поступает на фотопреобразователь 9. Импульсный источник света 5 формирует мощные импульсы света, которые проходя через объектив 4 формируются в мощный узконаправленный пучок света, который, проходя через защитное стекло 3, измеряемую среду 2, попадает на отражатель 1. Возвращенный отражателем световой поток снова проходит через измеряемую среду 2, защитное стекло 3 и попадает на зеркало 8, которое направляет всю световую энергию через диффузный рассеиватель 7, через диафрагму Bx2 и далее на фотопреобразователь 9. Электрический сигнал поступает на блок 10 управления и обработки, этот сигнал усиливается, преобразуется в постоянный U_вых сигнал, пропорциональный прозрачности измеряемой среды 2.

Блок 10 управления и обработки в импульсном фотометре работает следующим образом.

Коммутатор КК перекрывает поочередно входное отверстие Вх1 или входное отверстие Bx2 диффузного рассеивателя 7 от света импульсного источника света 5. Последовательность световых импульсов, следующих с частотой ω поочередно с более низкой частотой коммутации W, поступает через диффузный рассеиватель 7 на фотопреобразователь 9, а с его выхода на пиковый детектор ПД блока управления и обработки 10, а далее электрический сигнал с ПД поступает на повторитель напряжения ПН.

Когда входное отверстие Bx1 диффузионного рассеивателя 7 открыто управляемой заслонкой Д1 коммутатора КК, а входное отверстие Bх2 закрыто заслонкой Д2, выход пикового детектора переключателем П1 подключен к фильтру частоты коммутации ФЧКо, который подключен к одному из входов дифференциального усилителя ДУ, другой вход которого подключен к источнику опорного напряжения ИОН. Выход ДУ подключен к управляющему входу регулируемого источника питания РВ фотопреобразователя 9. В этом положении коммутатора КК работает опорный канал, когда световые импульсы, минуя измерительную среду 2, направляются на фотопреобразователь 9 через аттенюатор 6 и диффузный рассеиватель 7. В результате действия обратной связи выходное напряжение U_овых уравнивается (стабилизируется) сигналом U_оп. В другом положении коммутатора КК, когда диафрагма Вх1 диффузного рассеивателя 7 открыта заслонкой Д2, на фотопреобразователь 9 поступают световые импульсы от отражателя 1, прошедшие два раза измеряемую среду 2, а выход пикового детектора через ПН в это время коммутатором КК с помощью переключателя П1 подключен к фильтру ФЧК, на выходе которого присутствует постоянный измеряемый сигнал, U_вых пропорциональный прозрачности измеряемой среды 2. В этом случае цепь обратной связи разомкнута, однако на выходе ДУ поддерживается прежнее напряжение, поскольку RC фильтр опорного канала ФЧКо оказывается отключенным, следовательно и коэффициент преобразования фотопреобразователя сохраняет прежнее значение. Благодаря действию обратной связи обеспечивается компенсация погрешностей измерения, связанных с нестабильностью характеристик фотопреобразователя, источника световых импульсов и усилителя электрических сигналов. Таким образом сигнал U_вых на выходе блока управления и обработки 10 несет информацию о прозрачности измеряемой среды.

Недостатком выше описанного импульсного фотометра является отсутствие информации о яркости фона, которая необходима для обеспечения комплексной оценки безопасности посадки, взлета на взлетно-посадочной полосе.

Изобретение решает задачу одновременно с прозрачностью атмосферы измерять яркость фона. Поставленная задача решена благодаря тому, что в импульсный фотометр, содержащий отражатель, оптически связанный через измеряемую среду с расположенными по ходу излучения защитным стеклом, объективом, импульсным источником света, оптическим аттенюатором, диффузным рассеивателем, приемным зеркалом и фотопреобразователем, а также блок управления и обработки, вход которого подключен к выходу фотопреобразователя, а питающий вход фотопреобразователя подключен к регулируемому выходу напряжения блока управления и обработки, дополнительно введены светоделительная пластина между приемным зеркалом и диффузным рассеивателем, дополнительный фотоприемник, установленный перед светоделительной пластиной в фокусе приемного зеркала, который последовательно соединен с управляющим усилителем, ключом, согласующим усилителем, аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и цифровым индикатором, а также два компаратора, устройство управления усилителем, дешифратор и формирователь импульса строба, при этом входы компараторов подключены к выходу согласующего усилителя, а выходы к устройству управления усилителем, выход устройства управления усилителем подключен к управляющему входу управляемого усилителя и дешифратору, а выход дешифратора к разрядному входу цифрового индикатора, вход формирователя импульса строба подключен к выходу фотопреобразователя, а выход к управляющему входу ключа.

Предложенная совокупность существенных признаков предлагаемого импульсного фотометра позволяет одновременное измерение яркости фона, данные о которой необходимы для обеспечения безопасности полетов. В настоящее время для этого используется отдельный прибор.

На фиг.2 представлена блок-схема предполагаемого импульсного фотометра. Импульсный фотометр содержит отражатель 1, измеряемую среду 2, оптически связанные защитное стекло 3, объектив 4, импульсный источник света 5, оптический аттенюатор 6, диффузный рассеиватель 7, приемное зеркало 8, фотопреобразователь 9 и блок управления и обработки 10, на выходе которого формируется выходной сигнал U_вых, вход которого подключен к выходу фотопреобразователя, а питающий вход фотопреобразователя подключен к регулируемому выходу напряжения блока управления и обработки, кроме того между приемным зеркалом 8 и диффузным рассеивателем 7 установлена светоделительная пластина 11, которая направляет часть оптической энергии на дополнительный фотоприемник 12, который последовательно соединен с управляемым усилителем 13, ключом 14, согласующим усилителем 15, аналого-цифровым преобразователем АЦП 16 и цифровым индикатором 17, кроме того, компараторы 18 и 19, входы которых подключены к выходу согласующего усилителя 15, а выходы подключены к устройству управления усилителем 20, выход которого подключен к управляющему входу управляющего усилителя 13, также к дешифратору 21, выход которого подключен к управляемому разрядом входу цифрового индикатора 17, кроме того формирователь импульса сброса 22, вход которого подключен к выходу фотопреобразователя 9, а выход к управляющему входу ключа 14.

Работает импульсный фотометр следующим образом.

Световой пучок от импульсного источника света 5, проходя через объектив 4, формируется в узкий направленный пучок света, который проходит через защитное стекло 3, измеряемую среду 2 расстоянием 100 м до отражателя, отражается от него, снова проходит измеряемую среду 2, защитное стекло 3, попадает на приемное зеркало 8, которое фокусирует световую энергию на диффузный рассеиватель 7, и далее импульсы света попадают на фотопреобразователь 9. Оптический сигнал преобразуется в электрический, который поступает на блок управления и обработки 10, этот сигнал усиливается и преобразуется в постоянный U_вых сигнал, пропорциональный прозрачности измеряемой среды 2. При этом обрабатывается только импульсный сигнал, а постоянный сигнал от фоновой яркости не обрабатывается. Кроме того, часть оптической энергии от светоделительной пластины 11, например 30% отражается и фокусируется на фотоприемнике 12 (остальные 70% поступают в основной измерительный канал). Постоянный сигнал вместе с импульсным поступает на регулируемый дискретно управляемый усилитель 13, а далее через нормально открытый ключ 14 на согласующий усилитель 15. С целью уменьшения погрешности измерения фоновой яркости за счет импульсного оптического сигнала поступающего от отражателя 1, ключ 14 закрывается на время прихода импульсного оптического сигнала импульсом строба, поступающим от формирователя импульса строба 22, который запускается импульсами с выхода фотопреобразователя 9. Таким образом, постоянный электрический сигнал, соответствующий уровню яркости фона, поступает на согласующий усилитель 15, а с него на аналого-цифровой преобразователь 16 и далее на цифровой индикатор 17, где появляются показания уровня яркости фона.

Компараторы 18 и 19 минимального и максимального сигнала служат для определения выхода уровня сигнала фона за пределы установленного на управляемом усилителе 13 диапазона измерения яркости фона. При уменьшении или увеличении сигнала фона, переходящего за границы установленного диапазона, срабатывает компаратор 18 минимального или компаратор 19 максимального сигнала соответственно. При этом на устройство управления усилителем 20 (выполненное, например, на реверсивном двоичном счетчике) поступает сигнал на увеличение или уменьшение чувствительности управляемого усилителя 13. Выходным сигналом устройства управления 20 производится переключение диапазонов управляемого усилителя 13 в сторону увеличения или уменьшения его чувствительности. В результате переключения диапазона чувствительности управляемого усилителя 13, сигнал, подаваемый на входы компараторов 18 и 19, окажется в пределах измеряемого диапазона и сигнал с входов устройства управления усилителя 20 будет снят. Таким образом, в предлагаемой схеме осуществляется автоматический выбор диапазона измерения яркости фона. Сигнал с выхода устройства управления усилителем 20, содержащий информацию об установленном диапазоне измерения яркости фона, подается также на вход дешифратора 21. С выхода дешифратора 21 сигнал поступает на табло цифровой индикации 17, где высвечивается номер установленного диапазона или производится управление десятичной запятой при декадном переключении диапазонов измерения яркости фона.

Достоинствами предлагаемого прибора являются использование основного зеркала имеющего большую полезную площадь (обычно значительно больших площади оптики в измерителях фона), что позволяет более точно измерять малые уровни фона, и использование одного поля зрения для измерения прозрачности атмосферы и яркости фона, что позволяет более точно определять МОД в условиях сумерок и малой прозрачности атмосферы.

Использование: приборостроение, а именно техника измерения фотометрических параметров, и может найти применение на аэродромах для измерения прозрачности атмосферы и измерения яркости фона с целью обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов. Сущность изобретения: импульсный фотометр содержит отражатель, измеряемую среду и оптически связанные защитное стекло, объектив, импульсный источник света, оптический аттенюатор, диффузный рассеиватель, приемное зеркало, два фотопреобразователя, блок управления и обработки, вход которого подключен к выходу первого фотопреобразователя, а питающий вход первого фотопреобразователя подключен к регулируемому выходу напряжения блока управления и обработки, светоделительную пластину между приемным зеркалом и диффузным рассеивателем, второй фотопреобразователь установлен перед светоделительной пластиной в фокусе приемного зеркала, который последовательно соединен с управляющим усилителем, ключом, согласующим усилителем, аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и цифровым индикатором, а также два компаратора, устройство управления усилителем, дешифратор и формирователь строба, при этом входы компараторов подключены к выходу согласующего усилителя, а выходы - к устройству управления усилителем, выход устройства управления усилителем подключен к управляющему входу управляемого усилителя и дешифратору, а выход дешифратора - к разрядному входу цифрового индикатора, вход формирователя импульса строба подключен к выходу фотопреобразователя, а выход - к управляющему входу ключа. 2 ил.

Импульсный фотометр, содержащий отражатель, оптически связанный через измеряемую среду с расположенными по ходу излучения защитным стеклом, объективом, импульсным источником света, оптическим аттенюатором, диффузным рассеивателем, приемным зеркалом, фотопреобразователем, а также блок управления и обработки, вход которого подключен к выходу фотопреобразователя, а питающий вход фотопреобразователя подключен к регулируемому выходу напряжения блока управления и обработки, отличающийся тем, что в него дополнительно введены светоделительная пластина между приемным зеркалом и диффузным рассеивателем, дополнительный фотоприемник, установленный перед светоделительной пластиной в фокусе приемного зеркала, который последовательно соединен с управляющим усилителем, ключом, согласующим усилителем, аналого-цифровым преобразователем и цифровым индикатором, а также два компаратора, устройство управления усилителем, дешифратор и формирователь импульса строба, при этом входы компараторов подключены к выходу согласующего усилителя, а выходы к устройству управления усилителем, выход устройства управления усилителем подключен к управляющему входу управляемого усилителя и дешифратору, а выход дешифратора к разрядному входу цифрового индикатора, вход формирователя импульса строба подключен к выходу фотопреобразователя, а выход к управляющему входу ключа.