СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КОСМОСЕ ОХЛАЖДАЕМЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛУЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ/ВИДЕОСИГНАЛ БЕЗ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ТЕПЛОНОСИТЕЛЕЙ, ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЛИ МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ОХЛАЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО, РЕАЛИЗУЮЩЕЕ ЭТОТ СПОСОБ Российский патент 2004 года по МПК H04N5/33 H04N7/18 G01C21/24 G01S17/02 

Изобретение относится к области телевидения, а в ней к прикладным телевизионным системам, работающим в ИК диапазоне.

В последние годы широкое распространение получили КРТ-фотоприемники (Cd_x Hg_1-x Те) для работы в диапазонах 3-5 и 8-12 мкм. При наличии многих положительных качеств (высокая крутизна преобразования, быстродействие, практическое отсутствие инерционности) эти преобразователи имеют один существенный недостаток - необходимость охлаждения до температур порядка 70К. Охлаждение производится при помощи следующих приемов:

использование сжиженных газов (например, жидкий азот). Этот способ может быть использован в лабораторном оборудовании и изделиях разового использования (например, самонаводящиеся ракеты “земля-воздух”);

использование термоэлектрических преобразователей энергии (например, преобразователи Пелтье). Этот вариант является оптимальным по надежности, но неэкономичен. Кроме того, достижение температур 70К затруднено, так как в этом случае приходится использовать многоступенчатые термоэлектрические устройства, а с увеличением количества ступеней эффективность падает;

использование криогенных механических систем Стирлинга. Этот вариант позволяет получить необходимые температуры, экономичен, но имеет существенный недостаток - ограниченный срок службы, что ограничивает его применение в орбитальных космических аппаратах.

Предлагаемый способ обеспечивает неограниченный срок службы при использовании устройства, реализующего этот способ на космических аппаратах. Предпосылками использования предлагаемого способа являются:

отсутствие мешающего фактора атмосферы при наблюдении космического пространства с космического аппарата, что позволяет использовать весь спектральный диапазон излучений;

наличие в космическом пространстве участков, имеющих низкую интегральную температуру, что позволяет использовать оптическое изображение этих участков для охлаждения преобразователей “лучистая энергия/видеосигнал”;

наличие у всякой оптической системы характеристики “обратимости” (используемую, например, при кинопроизводстве: процесс фотографирования - процесс проектирования изображения).

Суть предлагаемого способа в следующем. Для получения изображения, например, земной поверхности в диапазоне длин волн 8-14 мкм оптическая система формирует оптическое изображение этой поверхности в плоскости преобразователя лучистая энергия/видеосигнал. Для охлаждения этого преобразователя эта же оптическая система переизлучает в участок космического пространства, интегральная температура которого достаточно низкая, накопленную энергию в остальном диапазоне спектра. Для получения интегрального значения температуры используемою участка космического пространства можно аберрационные характеристики оптической системы в нерабочем диапазоне спектра сделать достаточно большими. Резюмируя можно сформулировать предлагаемый способ следующим образом.

Способ использования в космосе охлаждаемых преобразователей лучистая энергия/видеосигнал без применения специальных теплоносителей, термоэлектрических или механических устройств охлаждения, заключающийся в том, что для охлаждения преобразователя лучистая энергия/видеосигнал, принимающею энергетический поток в рабочем участке спектрального диапазона, предоставляют “окно” для переизлучения накопленной неиспользуемой энергии в космическое пространство в другом участке спектрального диапазона, где преобразователь имеет минимальную чувствительность, причем для создания этого “окна” используют ту же оптическую систему, что и в рабочем диапазоне, причем для достижения максимальных значений дефокусировки изображения объекта в нерабочем диапазоне длин волн аберрационные характеристики оптической системы вне рабочего диапазона искусственно делают неоптимальными, а для получения изображения участка космоса, имеющего минимальную температуру, оптической системой используют дополнительное зеркало, прозрачное в рабочем диапазоне длин волн и непрозрачное в остальной части спектра, причем для поиска этого участка используют телевизионную камеру, работающую в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.

В качестве прототипа предлагаемого устройства принят портативный тепловизор фирмы “Орион” [1], принципиальная блок-схема которого приведена на Фиг.3. Прототип состоит из оптической системы 1, преобразователя 2 лучистая энергия/видеосигнал, блока 4 обработки видеосигнала и принудительной системы охлаждения 3, причем выход оптической системы 1 через преобразователь 2 лучистая энергия/видеосигнал соединен с блоком 4 обработки видеосигнала, а вход и выход принудительной системы охлаждения 3 соединены с преобразователем 2 лучистая энергия/видеосигнал. работает устройство следующим образом: сформированное при помощи оптической системы 1 изображение (в диапазоне длин волн 8-12 мкм) преобразовывается при помощи преобразователя 2 лучистая энергия/видеосигнал в видеосигнал, который пройдя необходимую обработку в блоке 4 обработки видеосигнала поступает на выход устройства. В качестве принудительной системы охлаждения 3 используется термоэлектрическая система или МКС Стирлинга. Эта принудительная система охлаждения 3 включена в петлю обратной связи с преобразователем 2 лучистая энергия/видеосигнал и поддерживает температуру 70К в плоскости рабочей мишени преобразователя.

На Фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства, реализующего вышеописанный способ. Устройство, реализующее способ использования в космосе охлаждаемых преобразователей лучистая энергия/видеосигнал без применения специальных теплоносителей, термоэлектрических или механических устройств охлаждения, содержащее оптическую систему 2, преобразователь 3 лучистая энергия/видеосигнал, блок 4 обработки видеосигнала, в который дополнительно введены телевизионная камера 5 ближнего ПК диапазона, блок 1 зеркал, состоящий из первого зеркала, прозрачного в рабочем диапазоне спектра и непрозрачного в остальном диапазоне спектра, и второго зеркала, прозрачного во всем диапазоне спектра и непрозрачного в ближнем ИК диапазоне и блок 6 управления блоком зеркал, причем рабочий вход устройства через первое и второе зеркала блока 1 зеркал, оптическую систему 2, преобразователь 3 лучистая энергия/видеосигнал и блок 4 обработки видеосигнала соединен с выходом системы, вспомогательный вход устройства через первое зеркало, второе зеркало блока 1 зеркал и оптическую систему 2 соединен с входом преобразователя 3 лучистая энергия/видеосигнал, кроме того, вспомогательный вход устройства через первое зеркало, второе зеркало блока 1 зеркал соединен с входом телевизионной камеры 5, работающей в ближнем ИК диапазоне, а выход этой телевизионной камеры 5 через блок 6 управления блоком 1 зеркал соединен с управляющим входом блока 1 зеркал.

Работает устройство следующим образом:

Излучаемая объектом лучистая энергия поступает на рабочий вход устройства и поступает на первое зеркало блока 1 зеркал, через которое проходит энергия только в рабочем диапазоне длин волн (8-14 мкм). На Фиг.2 приведены спектральные характеристики отражения первого и второго зеркал блока 1 зеркал. Эта энергия, пройдя второе зеркало блока 1 зеркал и оптическую систему 2, формирует на рабочей плоскости мишени преобразователя 3 лучистая энергия/видеосигнал оптическое изображение в рабочем диапазоне длин волн. Одновременно с этим процессом на вспомогательный вход устройства поступает энергия от наблюдаемого при помощи этого входа участка космоса. Отразившись от обоих зеркал блока 1 зеркал па мишени ПЗС-матрицы телевизионной камеры 5 ближнего ИК диапазона формируется оптическое изображение (в ближнем ИК диапазоне) наблюдаемого участка космоса, а в остальном участке спектра (т.е. весь спектральный диапазон за исключением ближнего ИК и диапазона 8-14 мкм) изображение наблюдаемого участка космоса формируется в рабочей плоскости преобразователя 3 лучистая энергия/видеосигнал. Следует отметить, что для максимального размытия изображения за границей рабочего диапазона аберрационные характеристики оптической системы 2 за границей рабочего диапазона длин волн искусственно делаются неоптимальными таким образом, что детали изображения наблюдаемого участка космоса вне рабочего диапазона практически отсутствуют. Таким образом, на мишени преобразователя 3 лучистая энергия/видеосигнал создается два оптических изображения:

рабочее - в диапазоне длин волн 8-14 мкм; вспомогательное - в остальном диапазоне длин волн (за исключением ближнего ИК).

Поиск участка космоса с низкой температурой осуществляется по изображению телевизионной камеры 5 ближнего ИК диапазона, которое анализируется в блоке управления 6 блоком зеркал. Этот блок вырабатывает сигнал управления, при помощи которого изменяется ориентация в пространстве блока зеркал 1.

Реализация предлагаемого устройства на современной элементной базе не представляет трудностей, особенно при условии перевода всех операций анализа изображений и управления в программную область, а- для увеличения эффективности и уменьшения потерь - оптическую систему использовать зеркального типа.

Источники информации

1. Портативный тепловизор. Материалы ГУП “НПО "Орион"”. http: // www. vimi. ru / goods / g-70-r. htm

Изобретение относится к телевизионной технике, а в ней - к прикладным телевизионным системам, работающим в ИК диапазоне. Техническим результатом является обеспечение неограниченного срока службы на космических аппаратах предлагаемого устройства, реализующего предложенный способ. Технический результат достигается, что в предложенном способе используют возможность переизлучения в космическое пространство излишней энергии, накопленной преобразователем лучистая энергия/видеосигнал и использования этой переизлученной энергии для охлаждения переизлучателя. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ использования в космосе охлаждаемых преобразователей лучистая энергия/видеосигнал без применения специальных теплоносителей, термоэлектрических или механических устройств охлаждения, отличающийся тем, что для охлаждения преобразователя лучистая энергия/видеосигнал, принимающего энергетический поток в рабочем участке спектрального диапазона, предоставляют “окно” для переизлучения накопленной неиспользуемой энергии в космическое пространство в нерабочем участке спектрального диапазона, где преобразователь лучистая энергия/видеосигнал имеет минимальную чувствительность, причем для создания этого “окна” используют ту же оптическую систему, что и в рабочем участке спектрального диапазона, причем для достижения максимальных значений дефокусировки изображения объекта в нерабочем участке спектрального диапазона аберрационные характеристики оптической системы вне рабочего участка спектрального диапазона искусственно делают неоптимальными, а для получения изображения участка космоса, имеющего минимальную температуру, оптической системой используют дополнительное зеркало, прозрачное в рабочем участке спектрального диапазона и непрозрачное в нерабочем участке спектрального диапазона, причем для поиска этого участка космоса используют телевизионную камеру, работающую в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне спектра.2. Устройство, реализующее способ использования в космосе охлаждаемых преобразователей лучистая энергия/видеосигнал без применения специальных теплоносителей, термоэлектрических или механических устройств охлаждения, содержащее оптическую систему, преобразователь лучистая энергия/видеосигнал, блок обработки видеосигнала, отличающееся тем, что в него дополнительно введены телевизионная камера ближнего ИК диапазона, блок зеркал, состоящий из первого зеркала, прозрачного в рабочем диапазоне спектра и непрозрачного в остальном диапазоне спектра, и второго зеркала, прозрачного во всем диапазоне спектра и непрозрачного в ближнем ИК диапазоне, и блок управления блоком зеркал, причем рабочий вход устройства через первое и второе зеркала блока зеркал, оптическую систему, преобразователь лучистая энергия/видеосигнал и блок обработки видеосигнала соединен с выходом оптической системы, вспомогательный вход устройства через первое зеркало, второе зеркало блока зеркал и оптическую систему соединен с входом преобразователя лучистая энергия/видеосигнал, кроме того, вспомогательный вход устройства через первое зеркало, второе зеркало блока зеркал соединен с входом телевизионной камеры ближнего ИК диапазона, а выход этой телевизионной камеры через блок управления блоком зеркал соединен с управляющим входом блока зеркал.