ШИРОКОУГОЛЬНЫЙ СПЕКТРОРАДИОМЕТР Российский патент 1999 года по МПК G01J3/28 

Изобретение относится к приборам, предназначенным для исследования спектрального состава сферической, полусферической яркости излучения объектов, например, оптического фона неба, подстилающей поверхности, в том числе и водной поверхности, и распределения излучения объектов по пространству, и может использоваться в метеорологии, физике атмосферы и др. областях.

Наиболее близким к заявленному устройству из известных аналогов является широкоугольный спектрорадиометр (а.с. СССР N 1062533, МКИ³ G 01 J 3/48, заявл. 19.03.82), измеряющий спектральный состав полусферических и сферических яркостей объектов и распределение яркостей по пространству (по кольцевым зонам неба), содержащий сферическое (выпуклое) зеркало, оптический фильтр, приемник излучения, модулятор, блок регистрации и обработки информации, а также плоский отражатель и растр, выполненный в виде пластины с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси (оси симметрии), который полностью перекрывает (экранируя) излучение объекта, если находится в крайнем нижнем положении вблизи оптического фильтра, либо, когда находится в крайнем верхнем положении вблизи плоского отражателя, полностью пропускает излучение объектов на приемник из всей полусферы (сферы). Когда же растр находится в промежуточном положении, приемником детектируется лишь часть полусферической (сферической) яркости.

Для измерений распределения яркости объекта по всей полусфере (сфере) необходимо переместить растр из одного крайнего положения в другое крайнее, при этом следует провести операцию суммирования излучения или вычитания, но в любом случае эти операции проводятся последовательно-поочередно. Таким образом быстродействие устройства ограничено скоростью перемещения растра.

Этот недостаток устранен в предлагаемом устройстве благодаря тому, что широкоугольный спетрорадиометр, содержащий выпуклое зеркало, последовательно расположенные по ходу отраженного им излучения соосные с выпуклым зеркалом плоский отражатель, растр, модулятор, а также оптический фильтр, приемник излучения и блок обработки и регистрации, причем отражатель-растр представляет собой зеркало с концентрично расположенными зонами из чередующихся одинаковых по размерам отражающих и поглощающих излучение ячеек, но разных размеров в каждой из зон, а модулятор выполнен в виде пластины с отверстиями, идентичными по величине и расположению с поглощающими или отражающими ячейками растра.

Техническим результатом предложенного решения является повышение быстродействия устройства благодаря модуляции измеряемого излучения с помощью растра описанной конструкции и модулятора.

На фиг. 1 изображена оптическая схема широкоугольного спектрорадиометра, на фиг. 2 - вид по стрелке А на растр (модулятор). Устройство содержит выпуклое зеркало 1, плоское зеркало 2, модулятор 3, светофильтр 4, приемник излучения 5 и блок регистрации и обработки 6.

На фиг. 2 белому цвету соответствуют отверстия модулятора 3 и отражающие ячейки зеркала-растра 2, а черным - поглощающие ячейки растра. В данном примере на зеркале 2 методом термического вакуумного напыления нанесены черные ячейки, образующие 5 кольцевых зон с числом поглощающих ячеек в них 8, 12, 20, 28, 36 соответственно. Использованная для напыления маска из фольги затем использована в качестве модулятора 3. Светофильтр 4, предназначенный для измерений спектрального состава излучения объекта, является циркулярным клиновым интерференционным светофильтром.

Спектрорадиометр работает следующим образом. Для измерения спектрального состава полусферической (сферической) яркости и распределения яркости, например, по концентрическим зонам неба, ось симметрии зеркала 1 направляют в зенит. Зеркало 1 отражает излучение неба со всех направлений на плоский отражатель 2. При положении модулятора 3, в котором отверстия совпадают с отражающими ячейками на растре 2, излучение проходит через фильтр 4 и направляется на приемник 5. При положении модулятора 3, в котором отверстия совпадают с поглощающими ячейками на растре 2, излучение неба на приемник не попадает.

Таким образом, при вращении модулятора 3 измеряемое излучение модулируется со всех зон неба (с полусферы) одновременно, при этом каждой зоне соответствует своя определенная частота модуляции. Приемник излучения 5 преобразует промодулированное излучение в напряжение (ток), частотный спектр которых содержит частоты f₁, f₂, ..., f_n, соответствующие определенной кольцевой зоне. Например, сигналу с частотой f₁ соответствует зона 1 - кольцевой конусный угол с интервалом зенитных углов от 80 до 90^o; сигналу с частотой f₂ соответствует зона 2 - кольцевой конусный угол с интервалом зенитных углов от 70 до 80^o, и т.д. Эти частоты выделяются с помощью фильтров в блоке регистрации и обработки 6.

Величину средней полусферической яркости небосвода получают суммированием амплитуд сигналов соответствующих частот. Чтобы измерить спектральный состав излучения в определенной зоне, определяют амплитуду сигнала на частоте, соответствующей этой зоне.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет определять одновременно спектральный состав полусферической (сферической) яркости и распределение яркости по зонам неба. Данное изобретение можно использовать и для измерений фона и его распределения с воздуха, при этом прибор должен быть перевернут, а ось симметрии направлена в надир.

Предлагаемое устройство, содержащее оптико-механические и электронные узлы, отмакетировано, получены положительные результаты, подтверждающие достижение технического результата.

Изобретение относится к средствам измерения спектрального состава полусферических (сферических) яркостей и пространственного распределения яркости объектов: облачной и безоблачной атмосферы, подстилающей поверхности, в том числе и морской, яркостей искусственных сред, может быть использовано в метеорологии, физике атмосферы, экологии и др. Широкоугольный спектрорадиометр содержит выпуклое зеркало, последовательно расположенные по ходу отраженного им излучения соосные с выпуклым зеркалом плоский отражатель, растр, модулятор, а также оптический фильтр, приемник излучения и блок обработки и регистрации, причем растр выполнен на отражателе в виде концентрично расположенных зон из чередующихся одинаковых по размерам отражающих и поглощающих излучение ячеек, но разных размеров в каждой из зон, а модулятор выполнен в виде пластины с отверстиями, идентичными по величине и расположению с поглощающими или отражающими ячейками растра. Техническим результатом является повышение быстродействия устройства благодаря модуляции измеряемого излучения с помощью растра описанной конструкции и модулятора. При вращении модулятора осуществляется модуляция всего потока излучения от объекта, например неба, при этом поток от каждой кольцевой зоны модулируется с определенной частотой, что позволяет измерить одновременно и полусферическую (сферическую) спектральную яркость объекта и распределение яркости по пространству. 2 ил.

Широкоугольный спектрорадиометр, содержащий выпуклое зеркало, последовательно расположенные по ходу отраженного им излучения соосные с выпуклым зеркалом плоский отражатель, растр, модулятор, а также оптический фильтр, приемник излучения и блок обработки и регистрации, отличающийся тем, что растр выполнен на отражателе в виде концентрично расположенных зон из чередующихся одинаковых по размерам отражающих и поглощающих излучение ячеек, но разных размеров в каждой из зон, а модулятор выполнен в виде пластины с отверстиями, идентичными по величине и расположению с поглощающими или отражающими ячейками растра.