Способ визуализированного тестирования инфракрасных болометрических систем Российский патент 2021 года по МПК G01M11/02 H01S3/941 

Изобретение относится к области тестирования инфракрасных болометрических систем, контролирующих тепловое состояние силовых узлов и механизмов, а именно к дистанционной поверке ориентации оптической оси инфракрасного болометра и амплитудно-импульсных характеристик его электронного тракта и может быть использовано в инфракрасной оптоэлектронике, системах поверки и настройки устройств быстродействующего теплового контроля скоростных объектов и визуального целеуказания инфракрасного луча.

Известен способ [1] бесконтактного тестирования инфракрасных болометров, в котором два диффузных излучателя, выполненных в виде колец с разной температурой, нож Фуко, коллиматор и измеритель измерения разности радиационных температур. Нож Фуко выполнен в виде зеркальной призмы несимметричного профиля, рабочее ребро которой расположено в фокальной плоскости коллиматора. Одна грань призмы оптически связана с первым излучателем, а другая со вторым. Призма установлена с возможностью линейного и углового перемещений в плоскости, перпендикулярной оптической оси коллиматора и вдоль этой оси. Один из излучателей выполнен с возможностью регулирования его температуры Формируемое таким образом инфракрасное пятно на тестируемом приемнике теплового излучения, позволяет менять структуру и спектральную характеристику теплового пятна. Это определяется скоростью перемещения призмы. Вместе с тем, данный способ тоже не обладает достаточным быстродействием, поскольку механика призмы имеет ограничение по частоте возвратно-поступательного движения. Но главный принципиальный недостаток указанного метода - это невозможность визуализации инфракрасного пятна при тестировании приемников теплового излучения.

Известен способ [2], в котором инфракрасным излучением источника через конденсор, модулятор, фотометрический клин облучают тестируемый, например приемник теплового излучения (объектив с болометром). Коллиматорным объективом для визуализации проектируют изображение теплового луча на чувствительную мишень пировидиконной передающей трубки, в которой формируется сигнал для получения телевизионного изображения инфракрасного теплового пятна на входе болометрического объектива. Принципиальное преимущество данного метода по сравнению с [1] заключается в визуализации инфракрасного теплового инфракрасного луча. В данном способе тестирования оптических систем, работающих в инфракрасной области спектра, механический модулятор теплового излучения имеет ограничение по частоте прерывания инфракрасного излучения. Это связано с пределом скорости вращения двигателей модуляторных блоков. Так, к примеру, для тестирования болометрических систем температурного контроля буксовых узлов скоростного (300 км/ч) железнодорожного поезда или лопаток реактивных турбин двигатель модулятора должен иметь 10000 и 30000 об/мин. В реальности такой механический модулятор практически нереализуем. Таким образом, данный способ тестирования в инфракрасной области спектра оптических систем, имеющий визуализацию теплового луча на мишени пировидиконной передающей трубки для получения телевизионного изображения инфракрасного теплового пятна, имеет ограничение регистрации по быстродействию. Это является значительным недостатком данного метода.

Наиболее близким техническим решением к предложенному, принятым за прототип, является способ [3] тестирования, исследования и юстировки любых оптических систем, работающих в инфракрасной области спектра. Сущность метода заключается в том, что тестируемую инфракрасную болометрическую систему облучают тепловыми импульсами инфракрасного фотолюминесцентного кристаллического излучателя с сопутствующим видимым свечением. Инфракрасная и сопутствующая видимая люминесценция кристаллического излучателя (кристалл Er:BaY₂F₈) возбуждается импульсным излучением полупроводникового лазера через отверстие вогнутого и плоского зеркал конденсора. В сформированном зеркальным конденсором едином импульсном тепловом и сопутствующем видимом луче визуально наблюдается распределение пространственной интенсивности, соответствующей распределению пространственной интенсивности теплового пятна на тестируемой болометрической системе. Импульсный лазер, возбуждающий кристаллический излучатель, управляется микропроцессорным программируемым устройством, которое задает частоту следования, длительность и амплитуду инфракрасных и сопутствующих видимых импульсов. Электрические импульсные сигналы с тестируемой инфракрасной болометрической системы поступают на цифровой осциллограф и информационную систему для анализа и представления результатов тестирования.

Целью данного изобретения является создание способа позволяющего, увеличить точность тестирования и временное разрешение инфракрасных болометрических систем.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».

Заявителю неизвестно из уровня техники о наличии следующих признаков:

1. Длительность импульса теплового и видимого излучения кристаллического лазера значительно меньше времени импульсного свечения фотолюминесцентного кристаллического излучателя для тестируемых инфракрасных болометрических систем.

2. На окне болометра площадь сечения визуализированного теплового лазерного луча значительно меньше площади луча фотолюминесцентного кристаллического излучателя.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Кроме того, при взаимодействии признаков получается новый технический результат - существенно увеличивается дистанция тестирования инфракрасных болометрических систем.

На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для реализации данного способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Тестируемую инфракрасную болометрическую систему (0), облучают импульсным лазером, генерирующим единый луч теплового и видимого излучения. Инфракрасное лазерное излучение генерируется активной кристаллической (Er:BaY₂F₈) средой (1) в резонаторе, сформированном плоскими диэлектрическими зеркалами (4-4'). Продольная накачка кристалла Er:BaY₂F₈ (1) производится импульсным видимым излучением полупроводникового лазера (2) через зеркало (4'), которое практически полностью пропускает излучение накачки, но практически полностью отражает инфракрасное вынужденное излучение кристалла. Полупрозрачное зеркало (4) является выходным для инфракрасного и видимого лазерного излучения накачки. В сформированном импульсном лазерном тепловом и видимом едином луче визуально наблюдается распределение пространственной интенсивности, соответствующей распределению пространственной интенсивности теплового пятна на тестируемой болометрической системе. Импульсный лазер накачки (2) кристалла Er:BaY₂F₈ (1) управляется микропроцессорным программируемым устройством (5), которое задает частоту следования, длительность и амплитуду лазерных инфракрасных и сопутствующих видимых импульсов. Электрические импульсные сигналы с тестируемой инфракрасной болометрической системы (0) поступают на цифровой осциллограф (6) и информационную систему (7) для анализа и представления результатов тестирования.

Пример 1. Тестируемую инфракрасную болометрическую систему - болометр БП-2 (диапазон чувствительности 1.9-10 мкм) с германиевой собирающей линзой диаметром 1,5 см, облучают на расстоянии 3,5 м тепловыми импульсами инфракрасного кристаллического лазера с длиной волны 2,9 мкм с сопутствующим синим излучением накачки на длине волны 457 нм. Синий визуализатор инфракрасного пятна диаметром 0,3 см направляют в центр германиевой линзы. Микропроцессорной системой задают частоту следования тепловых импульсов 50 Гц, длительностью (5 мс) меньше временного разрешения (10 мс) тестируемой болометрической системы с амплитудой соответствующей половине от уровня насыщения усилительной системы данного болометра. На выходе тестируемой болометрической системы с помощью цифрового осциллографа фиксируется последовательность электрических импульсов с частотой следования 50 Гц с длительностью 10 мс и амплитудой в половину динамического диапазона. В прямом эксперименте тестирование подтвердило быстродействие (10 мс) инфракрасной болометрической системы на основе болометра БП-2. Проверочная юстировка болометра четко показывает, что центр настройки инфракрасного пятна совпадет с изображением видимой визуализации. Несмотря на значительное расстояние между излучателем и болометрической системой, этот результат подтверждает, что в едином луче сопутствующий импульсный видимый свет имеет практически такое же, как у теплового пучка, распределение пространственной интенсивности.

В отличие от прототипа, в данном примере тепловой луч кристаллического лазера направляется в центр германиевой линзы инфракрасной болометрической системы по центру синего пятна визуализации. Тем самым, достигается более высокая точность настройки и тестирования, поскольку диаметр лазерного пятна (0,3 см) в 5 раз меньше, чем диаметр пятна излучения (1,5 см) у прототипа. Таким образом, по сравнению с прототипом, существенно увеличивается точность тестирования инфракрасных болометрических систем.

Пример 2. Тестируемую инфракрасную болометрическую систему - быстродействующий (0,5 мс) болометр на основе сульфида свинца ФСВ-16А (диапазон чувствительности 1.0-3.2 мкм) с германиевой собирающей линзой диаметром 3 см облучают на расстоянии 10 м тепловыми импульсами инфракрасного кристаллического лазера с длиной волны 2,9 мкм с сопутствующим синим излучением накачки на длине волны 457 нм. Синий визуализатор инфракрасного пятна диаметром 0,4 см направляют в центр германиевой линзы. Микропроцессорной системой задают частоту следования тепловых импульсов 1 кГц, длительностью (0,5 мс) равной временному разрешению тестируемой болометрической системы и амплитудой соответствующей половине от уровня насыщения усилительной системы данного болометра. На выходе тестируемой болометрической системы с помощью цифрового осциллографа фиксируется последовательность электрических импульсов с частотой следования 1 кГц длительностью 0,5 мс по амплитуде в половину динамического диапазона. В прямом эксперименте тестирование подтвердило быстродействие (0,5 мс) инфракрасной болометрической системы на основе сульфида свинца ФСВ-16А.

В прототипе дистанция тестирования достигает 2,5 м. Таким образом, по сравнению с прототипом без снижения временного разрешения дистанция тестирования инфракрасных болометрических систем увеличена в 4 раза.

Пример 3. Тестируемую инфракрасную болометрическую систему - быстродействующий (1 мкс) инфракрасный болометр на основе арсенида индия Hamamatsu Р8079-01 (диапазон чувствительности 1.0-3.6 мкм) с диаметром окна 0,5 см облучают на расстоянии 3,5 м тепловыми импульсами инфракрасного лазера с длиной волны 2,9 мкм с сопутствующим синим излучением накачки на длине волны 457 нм. Синий визуализатор инфракрасного пятна диаметром 0,3 см направляют в центр окна инфракрасного болометра Hamamatsu Р8079-01. Микропроцессорной системой задают частоту следования тепловых импульсов 1 кГц, длительностью (1 мкс) равной временному разрешению тестируемой болометрической системы. На выходе тестируемой болометрической системы с помощью цифрового осциллографа фиксируется последовательность электрических импульсов с частотой следования 1 кГц длительностью 1,0 мкс и синхронно путем обработки амплитудных значений последовательности импульсов информационной компьютерной системой подтверждается с погрешностью 5% паспортный динамический диапазон инфракрасной болометрической системы на основе арсенида индия Hamamatsu Р8079-01. Проведенное тестирование подтвердило временное разрешение (1,0 мкс) и паспортный динамический диапазон инфракрасной болометрической системы на основе на основе арсенида индия Hamamatsu Р8079-01. В прототипе временное разрешение составляет 0,5 мс. Таким образом, по сравнению с прототипом быстродействие тестирования инфракрасных болометрических систем увеличено в 500 раз.

Таким образом, достижение цели изобретения подтверждено экспериментально. Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известным изобретением дает следующее преимущества:

- увеличение точности тестирования

- увеличение дистанции тестирования

- увеличение временного разрешения тестирования

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2042124. Устройство для измерения оптических параметров оптико-электронных приборов. От 20.08.1995 г. Кл. G01M 11/02. Чугунов А.В.; Федюнина С.А.; Новоселов В.А.

2. Патент Российской Федерации №2024000. Устройство для контроля качества оптической системы. От 12.05.1991 г. Кл. G01M 11/02. Зарицкий А.А., Колобродов В.Г., Кучеренко О.К., Коваленко Л.А.

3. Патент Российской Федерации №2428671. Способ тестирования инфракрасных болометрических систем. От 10.09.2011 г. Кл. G01M 11/02. Барышников В.И., Криворотова В.В.

Способ может быть использован при дистанционной поверке ориентации оптической оси инфракрасного болометра и амплитудно-импульсных характеристик его электронного тракта в инфракрасной оптоэлектронике, системах поверки и настройки устройств быстродействующего теплового контроля скоростных объектов и визуального целиуказания инфракрасного луча. Способ включает облучение тестируемой болометрической системы инфракрасным и видимым излучением и анализ инфракрасного луча информационной системой. Для облучения тестируемой болометрической системы используется импульсное инфракрасное излучение кристаллического лазера с продольной накачкой полупроводниковым лазером, видимое излучение которого частично используется для визуализации инфракрасного луча. Технический результат - увеличение точности тестирования и временного разрешение инфракрасных болометрических систем. 1 ил.

Способ визуализированного тестирования болометрических систем, включающий облучение тестируемой болометрической системы инфракрасным и видимым излучением и анализ инфракрасного луча информационной системой, отличающийся тем, что для облучения тестируемой болометрической системы используется импульсное инфракрасное излучение кристаллического лазера с продольной накачкой полупроводниковым лазером, видимое излучение которого частично используется для визуализации инфракрасного луча.