Устройство для оптического зондирования Советский патент 1984 года по МПК G01N21/01 

Нзббретение относится к технике оптического зондирования и может быть применено в лазерных локаторах и лиларах для измерения параметров атмосферы.

.В устройствах для дистанциониого иптического зондирования веЛичина принимаемого рассеяннбго потока излучения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния до зондируемого объема и в зависимости от дальности может варьироваться в диапазоне 10. -рБольшой динамический диапазон изменения величины регистрируемого сигнала затрудняет его обработку. Обыч но для уменьшения диапазона регистрируемого сигнала в устройствах Для оптического зондирования применяют компенсаторы в приемно-передающих оптических каналах или регулируют коэффициент передачи в электрическом канале обработки сигкапа,.

Известно устройство для оптического зондирования, содержащее истрчник излучения и приемную систему, включающую объектив, полевую диафрагму, фотодетектор и блокобработки CВ этом устройстве уменьшение динамического диапазона принимаемого сигнала достигается применением компенсатора э виде полевой диа фрагмы, форма которой отлична от круглой.. Такая диафрагма позволяет за счет различной степени виньетирования потоков рассеянного излучения, приходящих с различной дальности,, поддерживать постоянство потока, проходящего через диафрагму на фотоприемник. Однако поддержание постоянства регистрируемого потока ограничено в этих устройствах диапазо ном расстояний в 300-500 м.

Кроме того, неоднородность распределения интенсивности по сечению луча источника излучения и ее нестационарность от импульса к импульсу, а также флуктуации освещенности изображения и его смещения, вызываемые турбулентностью зондируемой .средхы, приводит к некойтролируе t№M отклонениям от заданного закона виньетирования, что ведет к оатбкан измерений.

йаиболб е близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для оптического зондирования, содецжащее передатчик и последовательно расположенные приемЕШй объектив с полевой диафрагмой оптический клин и фотоприемник, а также блок обработки сигнала. В этсм устройстве полевая диафрагма выполнена круглой и служит для ограниче1 ия фоновых помех и задания, начальной дальности зондирования.

Излучение, прошедшее через полевую диафрагму, попадает через оптический клин на фотоприемник. Оптический клин выполнен с изменяющимся коэффициентом пропускания по одной координате. Излучение, приходящее с ближних расстояний зондирования, проходит через поле:зую диафрагму без виньетирования и попадает в зону оптического клина, где коэффициент пропускания минимален. По мере удаления зондируемого объема происходит перемещение его изображения по клину в направлении увеличения коэффициенд-а пропускания, так что поток излучения, поступающий на фотоприемник, должен оставаться постоянным C2J.

Недостатком известного устройства является невысокая точность: не удается точно скомпенсировать изменение сигнала., обратно пропорциональное квадрату расстояния. Причина этого выясняется при детальном рассмотрении прохождения потока через оптический клин. .

Изображение рассеивающего объема, находящегося на расстоянии R, удалено от фокальной плоскости объектива на величину

Х

(1)

Т

где f - фокусное расстояние объектива;R - дальность до зондируемого

объема,

и смещено от оптической оси объектива на.

t.(2

где В - расстояние между оптическими осями передатчика и приемного объектива.

Соотношения (1) и (2) показывают, что при удалении рассёиванмцего объема происходит пространственное перемещение его изображения. смотрим, как поток, формиру1 иций изображение рассеиваищих объемов, проходит через оптический клин, если последний установлен в фокальной плоскости объектива.

В плоскости оптического клина изображение будет дефокусировано, а диаметр пятна дефокусировки d определяется соотношением

D{

(31 Г где d - диаметр изображения- рассеивающего объема; D - Диаметр приемного объекти ва j f - фокусное расстояние прием ного объектива. Диаметр изображения рассеивающе го объема рассчитывается по форму ле . (. R-f где d(j - начальный диаметр пучка п редатчика;, .0 - угол расходимости излучения передатчика/ и, как видно, меньше d. Для точной компенсации изменени величины сигнала необходимо иметь клин с изменяющимся коэффициенте пропускания для различных расстояний. У реальных оПти ческих клиньев коэффициент пропускания изменяется непрерывно. Поэтому поток излучения, поступаимций с определенной дальности проходит одновремен ср через участки клина с различньп ко эффициентом пропускания. Как видко из соотнсмпения (3), для малых расстояний К наблюдается существенное увеличение диаметра пятна d за счет дефокусировки. Эт обстоятельство приводит к значител ному усложнению расчёта профиля коэффициента поглощения клина и технологическойТрудоемкости его изготовления, невозможности изготовления оптического клина, точно компенсирующего квадратичную зависимость сигнала от расстояния. Например, при параметрах устрой ства f 1 0,5 м, d ОД для R 50 D а 0,3 м. 9 мм, а для R 500 мм. d « 1,8 мм. Положение центра пятна, оп ределяемое из (2), будет при этом изменяться от 10 до 1 мм. Компенсирукищ й фильтр для тако1ч устройства должен в интервале 9.км изменять коэффициент пропускания на два порядка ( 100) для изображения с изменяющимися раз-; мерами от величины самого интерваг ла (dij 9 Kw) до d,, 1,8 мм. Изготовление оптического кляиа точно ксжпенсирующёго обратную квадратичную зависимость, является невыполнимой задачей и поэтому применение поглощающего клина в устройстве для зондирования приводит к оыибкам измерений искомых характёристик среды. Цель изобретения - повыиение точ . Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для oriтического зондирования, содержащем передатчик и последовательно расположенные приемный объектив с полевой диафрагмой, оптический компенсатор и фотоприемник, а также блок обработки сигнала, оптический ком- . пенсатор выполнен в виде плоского зеркала с переменным вдоль оси симметрии коэффициентом отражения, установлен за фокальной плоскостью приемного объектива Так, что нормаль к его поверхности и ось симметрии расположены в плоскости, проходящей через оптические оси передатчика и приемного объектива, и наклонен к оптической оси приемного объектива на угол , d: oirctq;- В/ где В - расстояние между оптическими осями передатчика и приемного объектива, f - фокусное расстояние объектива, причем участок компенсатора с 11лаксимальным коэффициентом отражения совпадает с изображением анализируемого объема на предельной дальности. На чертеже изображена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит передатчик 1 с оптической осью 00, приемный объектив 2 с оптической осью . .В фокальной плоскости приемного объектива 2 расположена полевая диафрагма 3, за диаф агмой установлен оптический компенсатор 4, выполненный в виде плоского зеркала с переменным коэффициентом отражения, причем область 5 максимального перемещения оптического клина 4 совпадает с изображением анализируемого объема на предельной дальности з ндирования, а область 6 минимального отражения расположена дальше от фокальной плоскости объектива чем область 5, фотоприемник 7 и блок 8 обработки сигнала. Устройство работает следукицим образом. Передатчик 1 посьшает в зондируемую среду импульс оптического излучения. Рассеянное в обратном направлении излучение принимается приемным объективом 2. Пря этом поток излучения с близких расстояний, пропускаемый полевой диафрагмой 3, попадает на оптический компенсатор 4 в область,б с минимальным коэффициентом отражения. Поскольку с близких расстояний поток рассеянного излучения максимален, то за счет малого коэффициента отражения от этой области зеркала на фотоприем

УСТРОЙСТЮ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ, содержащее передатчик и последовательно расположенные приемный объектив с полевой диафрагмой, оптический компенсатор и фотоприемник, а также блок обработки сигнала, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оптический компенсатор выполней в виде плоского зеркала с перемеинь - вдоль оси симметрии коэффициентом отражения, установлен за фокальной плоскостью приемного объектива так, что нормаль к его поверхности и ось симметрии лежат в плоскости, проходящей через оптические оси передатчика и приемного объектива, и наклонен к оптической оси приемного объектива на угол & otzroirct -|где И - расстояние между о птическими осями передатчика и приемно(Л го объектива, - фокусное расстояние объектива, причем участок компенсатора с максимальным коэффициентом отражения совпадает с изображением анализируемого объема на предельной дальности. 55 :п 4 :А:)