ИНФРАКРАСНЫЙ КОЛЛИМАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2007 года по МПК G02B27/30 G01M11/02 

Предлагаемое изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для контроля и измерения параметров тепловизионных приборов (ТВП).

Известен инфракрасный коллиматорный комплекс (см. Ллойд Д. Системы тепловидения. М., 1978 г., стр.392, 393), содержащий объектив, сменную миру, размещенную в фокальной плоскости объектива перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом (нагревателем), устройство управления (поддержания разности температур), выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя.

Недостаток этого инфракрасного измерительного комплекса заключается в том, что поддержание разности температур между фоновым излучателем и мирой не обеспечивает поддержание уровня контрастного излучения при работе в широком диапазоне температур окружающей среды, т.к. уровень контрастного излучения зависит не только от разности температур между фоновым излучателем и мирой, но и в значительной степени от абсолютного значения температуры миры (температуры окружающей среды).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является инфракрасный коллиматорный комплекс (Патент РФ №2244950, G02В 27/30, опубликованный 20.01.2005 г.), содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного.

Подобный инфракрасный коллиматорный комплекс при изменении температуры миры автоматически изменяет разность температур между фоновым излучателем и мирой по закону, полученному при калибровке инфракрасного измерительного комплекса в рабочем диапазоне температур окружающей среды и обеспечивающему высокую точность поддержания уровня контрастного излучения при любом (в пределах рабочего диапазона) значении температуры окружающей среды.

Недостаток идеологии подобного инфракрасного коллиматорного комплекса проявляется при его работе в течение длительного времени, когда происходит постепенный нагрев (охлаждение) миры за счет передачи ей тепла (холода) от расположенного рядом с ней на небольшом расстоянии фонового излучателя и возникает разность температур между мирой и окружающей средой. (В начале работы температура миры и окружающей среды практически совпадают).

При одних и тех же значениях температур фонового излучателя и миры, но разных значениях температуры окружающей среды уровень контрастного излучения на выходе инфракрасного коллиматорного комплекса будет разным.

Происходит это потому, что степень черноты поверхности фонового излучателя и миры на практике всегда меньше 1 (обычно находится в пределах 0,92...0,94), и поток инфракрасного излучения каждого из них будет определяться не только их собственной температурой, но и температурой поверхностей, поток инфракрасного излучения от которых отражается соответственно от фонового излучателя и миры.

Мира отражает (частично, в соответствии со степенью черноты ее поверхности) падающие на нее потоки излучения от конструктивных элементов коллиматора (в основном от корпуса коллиматора), имеющих температуру окружающей среды. Поэтому поток излучения от миры в случае, когда температура окружающей среды ниже температуры миры, будет меньше, чем в случае, когда температура окружающей среды и температура миры одинаковы.

Поток инфракрасного излучения от фонового излучателя при различных температурах окружающей среды, но одинаковой температуре миры будет практически одинаковым, т.к. фоновый излучатель располагается на малом расстоянии непосредственно за мирой и практически полностью закрывается ею. Поэтому он отражает (частично, в соответствии со степенью черноты своей поверхности) поток инфракрасного излучения миры (ее тыльной стороны), который при одинаковых температурах миры будет практически одинаковым.

Таким образом, при равных температурах миры и фонового излучателя, но разных температурах окружающей среды, уровень контрастного излучения на выходе инфракрасного коллиматорного комплекса, определяемый разностью инфракрасных потоков излучения фонового излучателя и миры, будет разным, т.е. возникает ошибка поддержания уровня контрастного излучения. При этом величина ошибки зависит не только от разности температур миры и окружающей среды, но и от абсолютного значения этих температур (Ошибка больше при больших абсолютных значениях температур).

Так, при температуре окружающей среды 300 К и разности температур миры и окружающей среды 0,4 К изменение уровня контрастного излучения по сравнению со случаем, когда эта разность равна 0 К составит величину порядка (0,02...0,04) К, что для инфракрасных коллиматорных комплексов с допустимой погрешностью, как правило, не более ±0,01 К неприемлемо.

Для обеспечения требуемой точности измерения и поддержания уровня контрастного излучения необходимо осуществлять коррекцию работы инфракрасного коллиматорного комплекса по разности температур миры и окружающей среды с учетом абсолютного значения температуры окружающей среды.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности поддержания уровня контрастного излучения.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасный коллиматорный комплекс, содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного, дополнительно введено устройство измерения температуры окружающей среды, выход которого подключен к третьему входу процессора температурного, при этом процессор температурный и устройство управления выполнены таким образом, что процессор температурный с помощью устройства управления регулирует величину напряжения питания исполнительного элемента фонового излучателя так, что фактическое значение разности температур между фоновым излучателем и мирой совпадает с текущим результирующим требуемым значением, определенным в зависимости от требуемого уровня контрастного излучения, текущей температуры миры и текущей температуры окружающей среды, с точностью, обеспечивающей поддержание требуемого уровня контрастного излучения с допустимой погрешностью.

На чертеже представлена функциональная схема инфракрасного коллиматорного комплекса.

Инфракрасный коллиматорный комплекс содержит объектив 1, сменную миру 2, расположенную в фокальной плоскости объектива 1, фоновый излучатель 3, расположенный за сменной мирой 2 и снабженный исполнительным элементом 4, устройство 5 управления, выход которого подключен к исполнительному элементу 4 фонового излучателя 3, процессор температурный 6, выход которого подключен к входу устройства 5 управления, устройство 7 измерения температуры миры 2, выход которого подключен к первому входу процессора температурного 6, устройство 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного 6, устройство 9 измерения температуры окружающей среды, выход которого подключен к третьему входу процессора температурного 6. На чертеже также показан исследуемый тепловизионный прибор 10.

Работает инфракрасный коллиматорный комплекс следующим образом.

Участки в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытые сменной мирой 2 (которая может представлять собой, например, непрозрачную пластину, в центральной части которой есть ряд параллельных друг другу сквозных прорезей, ширина которых и интервал между ними равны и у каждой из сменных мир имеют свою величину, см. вид А), расположенной в фокальной плоскости объектива 1, создают за счет определенного нагрева фонового излучателя 3 и того, что мира 2 имеет температуру, отличную от температуры фонового излучателя 3, контрастный (с определенным уровнем контрастного излучения) поток инфракрасного излучения, который формируется объективом 1 и в виде контрастного коллимированного потока инфракрасного излучения поступает во входной зрачок исследуемого тепловизионного прибора 10. В тепловизионном приборе 10 контрастное инфракрасное излучение преобразуется в яркостный контраст в видимой области спектра, величина которого пропорциональна уровню контрастного излучения.

Для выхода на требуемый уровень контрастного излучения и его поддержания процессор температурный 6 по сигналу, поступающему на его первый вход с устройства 7 измерения температуры миры 2, периодически определяет текущее значение температуры миры 2 (оно в течение определенного (короткого) времени после включения инфракрасного коллиматорного комплекса с достаточной точностью совпадает с температурой окружающей среды). По заданному оператором (с помощью клавиатуры процессора температурного 6) требуемому уровню контрастного излучения и измеренному текущему значению температуры миры 2 процессор температурный 6, используя предварительно заложенные в него зависимости уровня контрастного излучения от разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 и температуры миры 2, полученные при калибровке инфракрасного коллиматорного комплекса, периодически вычисляет соответствующее им текущее начальное требуемое значение разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2. Но, т.к. калибровка проводится в режиме, когда температура миры 2 практически равна температуре окружающей среды (т.е. без длительной выдержки при каждом измерении), поддержание разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 на уровне, равном текущему начальному требуемому уровню, обеспечит поддержание требуемого уровня контрастного излучения лишь при равенстве температур миры 2 и окружающей среды.

Для поддержания требуемого уровня контрастного излучения при длительной работе необходимо в процессе работы периодически корректировать величину разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2. Осуществляется это следующим образом.

Процессор температурный 6 по сигналу, поступающему на его третий вход с устройства 9 измерения температуры окружающей среды определяет текущую температуру окружающей среды и вычисляет текущую разность температур миры 2 и окружающей среды. Затем, по предварительно заложенной в процессор температурный 6 зависимости корректирующего смещения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 (смещения, обеспечивающего компенсацию влияния разности температур миры 2 и окружающей среды) от величины разности температур миры 2 и окружающей среды и от абсолютного значения температуры окружающей среды, процессор температурный 6 периодически вычисляет текущую величину необходимого корректирующего смещения, соответствующего текущей разности температур миры 2 и окружающей среды при текущем значении температуры окружающей среды. (Зависимость корректирующего смещения от разности температур миры 2 и окружающей среды и от абсолютного значения температуры окружающей среды определяется расчетным путем или эмпирически, отдельно для каждой из сменных мир, т.к. оптические характеристики сменных мир (например, степень черноты) могут быть различными. Выбор нужной зависимости осуществляется процессором температурным 6 автоматически по номеру установленной им в рабочее положение (по команде оператора) сменной миры.

Далее процессор температурный 6 вычисляет текущее результирующее требуемое значение разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 как сумму текущего начального требуемого значения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 и текущего корректирующего смещения.

Это текущее результирующее требуемое значение процессор температурный 6 сравнивает с фактическим значением разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, которое он определяет по сигналу, поступающему на его второй вход с устройства 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2.

Процессор температурный 6 регулирует с помощью устройства 5 управления величину напряжения питания исполнительного элемента 4 фонового излучателя 3 так, что текущее результирующее требуемое и фактическое значения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 совпадают с точностью, обеспечивающей поддержание уровня контрастного излучения на выходе инфракрасного коллиматорного комплекса с погрешностью, не превышающей допустимое значение независимо от продолжительности времени работы комплекса.

Инфракрасный коллиматорный комплекс содержит объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного. Дополнительно введено устройство измерения температуры окружающей среды, выход которого подключен к третьему входу процессора температурного. Процессор температурный с помощью устройства управления регулирует величину напряжения питания исполнительного элемента фонового излучателя так, что фактическое значение разности температур между фоновым излучателем и мирой совпадают с текущим результирующим требуемым значением, определенным в зависимости от требуемого уровня контрастного излучения, текущей температуры миры и текущей температуры окружающей среды, с точностью, обеспечивающей поддержание требуемого уровня контрастного излучения с допустимой погрешностью. Технический результат - повышение точности поддержания уровня контрастного излучения. 1 ил.

Инфракрасный коллиматорный комплекс, содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного, отличающийся тем, что в него дополнительно введено устройство измерения температуры окружающей среды, выход которого подключен к третьему входу процессора температурного, при этом процессор температурный и устройство управления выполнены таким образом, что процессор температурный с помощью устройства управления регулирует величину напряжения питания исполнительного элемента фонового излучателя так, что фактическое значение разности температур между фоновым излучателем и мирой совпадают с текущим результирующим требуемым значением, определенным в зависимости от требуемого уровня контрастного излучения, текущей температуры миры и текущей температуры окружающей среды, с точностью, обеспечивающей поддержание требуемого уровня контрастного излучения с допустимой погрешностью.