СПОСОБ ПРИЕМА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 1997 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области оптико-физических измерений и может быть использовано в оптической локации, для контроля уровня загрязнений атмосферы, океана и т.д.

Известен способ приема оптических сигналов, заключающийся в приеме рассеянного средой излучения, преобразовании его в электрические сигналы и последующей обработке (а.с. 1649305, кл. G 01 J 1/44, 1991). Его недостатком является низкая точность измерений, обусловленная невысокой пространственной избирательностью оптической системы.

Наиболее близким по технической сущности является способ приема оптических сигналов, заключающийся в приеме рассеянного средой излучения, виньетировании принятого потока и преобразовании в его электрический сигнал (а.с. 1821696, кл. G 01 N 21/55, 1993, N 23).

Его недостатком является невысокая точность измерений из-за низкой пространственной избирательности оптической системы. Последняя обусловлена сильным влиянием далеких слоев окружающей среды, вклад которых в принятый сигнал оказывается значительно большим, чем вклад того слоя, на который настроена оптическая система.

Решаемой технической задачей является повышение точности измерений принимаемых оптических сигналов путем устранения влияния удаленных слоев окружающей среды на результат приема.

Решение технической задачи достигается тем, что по способу приема оптических сигналов, заключающемся в приеме рассеянного средой излучения, виньетировании принятого потока и преобразовании в электрический сигнал части потока принятого излучения, в электрический сигнал преобразуют часть потока принятого излучения, ограниченную круговым кольцом с центром на оптической оси приемной системы, плоскость которого устанавливают в плоскости изображения с дальности настройки приемной оптической системы, соотношение между внутренним и внешним диаметрами кольца выбирают из условий обеспечения требуемой пространственной избирательности.

Существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения являются операции преобразования в электрический сигнал только части потока принятого излучения, ограниченного круговым кольцом с центром на оптической оси приемной оптической системы и выбора соотношения между внутренними и внешними диаметрами кольцевой диафрагмы из условий обеспечения требуемой пространственной избирательности.

Эти существенные отличительные признаки позволяют получить новое свойство повышение точности измерений принимаемых оптических сигналов путем улучшения пространственной избирательности за счет устранения влияния на результаты приема удаленных слоев среды. Поэтому предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображено устройство, реализующее способ. На фиг. 2 представлена оптическая схема, поясняющая геометрические соотношения при приеме оптических сигналов. На фиг. 3 показана форма контура пространственной селекции как функция относительной расстройки. На фиг. 4 показаны зависимости ширины контура пространственной селекции и степени сужения ширины контура пространственного фильтра с кольцевой диафрагмой по сравнению с круглой от отношения внутреннего и внешнего диаметров кольца. На фиг. 5 представлены зависимости коэффициента формы пространственного фильтра от отношения внутреннего и внешнего диаметров кольца.

Устройство, реализующее способ, содержит (фиг. 1) установленные последовательно вдоль оптической оси объектив 1, диафрагму поля зрения 2, фотоприемник 3, регистратор 4. При этом диафрагма поля зрения 2 устанавливается в плоскости изображения с заданной дальности параллельно фокальной плоскости с возможностью перемещения диафрагмы вдоль оптической оси объектива 1 для настройки на разные дальности.

На фиг. 2 обозначено: 1 объектив; 2 диафрагма поля зрения; 5 - объект, находящийся в поле зрения приемной оптической системы.

Способ осуществляется следующим образом. Оптическая система настраивается на выбранную дальность R_o путем установки кольцевой диафрагмы поля зрения в положение, удовлетворяющее соотношению: Z_o=f²/(R_o-f), где Z_o расстояние между диафрагмой и фокальной плоскостью объектива; f фокусное расстояние, а центр диафрагмы устанавливается на оптической оси приемной системы. Соотношение между внутренним и внешним диаметрами кольца выбирается так, чтобы обеспечить требуемую пространственную избирательность, количественной мерой которой может быть ширина контура пространственной селекции или коэффициент формы этого контура. Затем осуществляется прием рассеянного средой излучения окружающего фона, например рассеянного солнечного излучения, и преобразование в электрический сигнал части принятого потока, прошедшей через кольцевую диафрагму. В результате реализации такого способа значительно повышается пространственная избирательность оптической системы по дальности, что, в свою очередь, предопределяет повышение точности измерения принимаемых оптических сигналов.

Перестройка оптической системы по дальности может осуществляться различным путем, например изменением Z_o при f=const, перемещая диафрагму 2 поля зрения относительно неподвижного объектива (как в устройстве на фиг. 1); или передвигая объектив относительно неподвижной диафрагмы; или изменяя фокусное расстояние объектива при постоянной величине Z_o.

Пространственная избирательность оптической системы может быть сильно или слабо выраженной. Выведем соотношения, позволяющие дать количественную оценку избирательности, или селекции, на примере простейшей однолинзовой оптической системы.

Будем полагать, что объектив задан круглой апертурой диаметром D и фокусным расстоянием f. На некотором расстоянии Z от фокальной плоскости F объектива центрировано относительно оптической оси установлена круглая полевая диафрагма диаметром d. Непосредственно за диафрагмой установлены светофильтры и детектор излучения, регистрирующий прошедший за диафрагму поток.

Согласно известной формуле Ньютона, расстояния от переднего фокуса объектива до предмета (R-f) и от заднего фокуса до изображения Z cвязаны соотношением: Z= f²/(R-f), где R расстояние от главной плоскости объектива до рассматриваемой точки. В зависимости от положения диафрагмы вдоль оптической оси на нее падает сходящийся или расходящийся пучок лучей с дальности R в виде конуса (фиг. 2). Как видно из фиг. 2б, наибольший размеру изображения слоя с произвольной дальности R≥R_o в плоскости изображения слоя с дальности R_o легко определить из условий геометрического подобия:
(D+Y)/2(Z_o+f)=(D+d)/2(Z+f),
где Z расстояние от задней фокальной плоскости до плоскости изображения слоя, удаленного на R; d размер этого изображения.

H_о (Z+f)/(Z_o+f)= d/d_o= R_o(R-f)/R(R_o+f). Поэтому (D+y)/(D+d)= R_o(R-f)/R(R_o-f). Отсюда легко извлечь значение y.

Аналогичным образом можно рассмотреть геометрию системы при приеме потока излучения с дальности R≅R_o (фиг. 2в). И для всего интервала дальностей можно записать:
y=d_o±D•f•(R-R_o)/R(R_o-f) (1)
Здесь: знаки + и относятся к случаям R≥R_o и R≅R_o соответственно.

Как видно из (1), размер изображения y различных слоев, находящихся в поле зрения приемной оптической системы и удаленных от нее на произвольное расстояние R, всегда превышает размер диафрагмы d_o, кроме случая R=R_o.

Будем называть в дальнейшем функцией пространственной селекции (или пространственной избирательности) оптической системы, настроенной на дальность R_o, степень согласования площади S_o диафрагмы поля зрения и площади S(R,R_o) сформированного оптикой изображения слоя, удаленного на произвольное расстояние R:
G(R,R_o)=S_o/S(R,R_o) (2)
Вычислим функцию пространственной селекции для однолинзовой приемной оптики. Очевидно, для нее
G(R,R_o)=(d_o/Y)₂=[1±D•f•(R-R_o)/d_o•R•(R_o-f)]² (3)
Форма контура пространственного фильтра, как следует из (3), определяется конструктивным параметром и дальностью R_o настройки оптической системы. Приняв , с учетом R_o>f получим:

На фиг. 3 показан контур линии пространственной селекции при вариациях безразмерного параметра: кривым 1-5 соответствуют значения М, равные 100; 31.6; 10; 3.16 и 1.0.

Проанализируем особенности формы контура пространственного фильтра. Во-первых, контур несимметричен относительно дальности настройки. Во-вторых, левая ветвь (R≅R_o) убывает до нуля с уменьшением R. И, в-третьих, правая ветвь контура при больших R стремится к некоторому положительному значению G_∞. В самом деле,

Поэтому даже при больших М остаточный уровень сигнала с самых удаленных от приемной системы слоев может быть сделан на выходе пространственного фильтра достаточно малым, но не может быть сведен к нулю.

Рассчитаем ширину контура пространственной селекции, определяя ее на произвольном уровне K, K>1. Из (4) и из условия G>0 следует:

Корни этого уравнения . Значит, ширина контура пространственного фильтра по уровню 1/K

Для обычно принятого в оптике значения K=2 (ширина определяется на уровне 0,5) будем иметь:

В табл. 1 представлены некоторые значения ширины контура пространственной селекции для однолинзовой приемной системы, определенные двумя путями: при постоянстве на всем интервале дальностей параметра В и параметра М.

Как было получено в (4) и (5), правое крыло контура пространственной селекции при возрастании дальности стремится к некоторому положительному значению G_∞. Иными словами, контур имеет бесконечно длинный "хвост", который значительно ухудшает возможности селекции сигналов по дальности и даже делает ее невозможной при малых оптических плотностях среды.

Возможности улучшения формы пространственного фильтра.

Значительно большие возможности для синтезирования необходимой формы контура пространственной селекции по дальности позволяет реализовать однолинзовая оптика с диафрагмой, имеющей форму кругового кольца.

Пусть внешний диаметр кольца равен, как и прежде, d_o, а его внутренний диаметр Х. В соответствии с определением пространственной селекции (2) для кольца получим:

Рассчитаем остаточный уровень фонового сигнала от дальних слоев:

где V=x/d_o отношение внутреннего и внешнего диаметров кольца. Ясно, что по остаточному фоновому уровню оптическая система с кольцевой диафрагмой лучше, чем с круговой, в (1-V²)^-1 раз.

По аналогии с (6) вычислим ширину контура пространственного фильтра с кольцевой диафрагмой на уровне 1/K. С учетом (8) получим:

Отсюда для ширины по уровню 0,5 (K=2)

Поскольку круг можно рассматривать как кольцо с V=0, то формула (7) является частным случаем (11).

Степень сужения ширины пространственного фильтра с кольцом по сравнению с круглой диафрагмой равна

Зависимости и h=f(v) и ΔR_0,5 = f(v) представлены на фиг. 4.

Как видно, при V>0,5 удается значительно сузить ширину фильтра. На фиг. 4 кривым 1-5 соответствуют М=100(1); 3 1,6(2); 10(3); 3,16 (4).

Обратим внимание, что уровень принимаемого сигнала при кольцевой диафрагме по сравнению с круговой такого же диаметра d_o будет в (1-v²)^-1 раз меньше, что в точности соответствует выигрышу в остаточном уровне фона.

Коэффициент формы (коэффициент прямоугольности) пространственного фильтра принято определять как отношение ширин контура, измеренных на уровнях 0,1 и 0,5 (K=10 и К=2). С учетом (10) получим:

Как следует из (13), варьируя соотношением V между внутренним и внешним диаметрами кольцевой диафрагмы, легко изменять коэффициент формы. На фиг. 5 показаны зависимости K_f от параметра V при различной настройке оптической системы. При больших дальностях настройки представляется возможным минимизировать коэффициент формы. Точные значения K_fmin и аргумента V легко рассчитать из выражения (13), взяв производную и приравняв ее нулю. На фиг. 5 кривым 1-4 соотв. R_o=10 м(1); 31,6 м (2); 100 м (3); 316 м (4).

Таким образом кольцевая форма диафрагмы позволяет значительно улучшить коэффициент формы K_f, уменьшить ширину ΔR_к фильтра и остаточный уровень G_∞ фонового сигнала от дальних слоев. Наличие, хотя и значительно меньшего по сравнению с круглой диафрагмой, остаточного фонового уровня G_∞ ухудшает свойства контура (что имеет место и при круглой диафрагме), но не препятствует проявлению пространственной селективности.

Дело в том, что в реальном атмосфере, имеющей конечное (ненулевое) значение показателя ослабления α,, ослабление излучения с расстоянием подчиняется закону Бугера:
I(R) = I₀•exp(-α•R)
где I_o исходная интенсивность излучения, I(R) интенсивность на дальности R. Поэтому произведение G_∞•exp(-α•R) характеризующее вклад удаленного на расстояние R слоя атмосферы, с ростом дальности убывает по экспоненте. Другими словами, варьируя соотношением V=x/d_o и учитывая ослабление по закону Бугера, легко сделать вклад далекого слоя R в результирующий сигнал значительно меньшим, чем при традиционной круглой форме диафрагмы поля зрения. Это значит, что улучшится пространственная избирательность, а следовательно, точность измерения оптических сигналов, поскольку значительно уменьшено влияние дальних слоев на результат измерений.

Использование: область оптико-физических измерений. Сущность изобретения: в электрический сигнал преобразуют часть потока принятого излучения. Часть потока выделяют кольцом, установка в схеме прибора и размеры которого определяют из условий решаемой задачи. 5 ил., 1 табл.

Способ приема оптических сигналов, заключающийся в приеме рассеянного средой излучения, виньетировании принятого потока и преобразовании его в электрический сигнал, отличающийся тем,что в электрический сигнал преобразуют часть потока принятого излучения, ограниченную круговым кольцом с центром на оптической оси приемной системы, плоскость которого устанавливают в плоскости изображения с учетом дальности настройки приемной оптической системы, а соотношение между внутренним и внешним диаметрами кольца выбирают из условий обеспечения требуемой пространственной избирательности.