Устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы Советский патент 1985 года по МПК G01N21/41 

I Изобрете ше относится к атмос})ерной оптике и может быть использовано для измерения оптических характеристик атмосферы, а также для исследования степени разрушения когерентности оптических пучков при распространении в атмосфере. Известны устройства для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы (С) содержащие источник излучения, фокусирующую линзу в фокальной плоскости которой размещена вертикальная щель и фотоприемник, соединенны с блоком регистрации среднего светового потока. Физической основой измерений указанными устройствами является изменение когерентности световой волны при распространении в турбулентной атмосфере, что приво дит к размытию дифракционного пятна в фокусе линзы.. Степень уменьшения когерентности поля определяют по величине уменьшения светового поток через вертикальную щель, расположен ную в энергетическом центре тяжести дифракционного пятна ij . Недостатками известных устройств являются низкая точность измерения С(, и сложность юстировки оптической системы. Низкая точность измере ний обусловлена влиянием фоновой засветки, которая искажает соотношение между полной интенсивностью светового потока и интенсивностью светового потока прошедшего через щель. Кроме того, смещение энергетического центра тяжести светового; пятна относительно жестко связанной с опт 1ческой осью щели приводит к значительному завьпиению значения .измеряемой величины С. Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы, содержащее источник излучения, фокусирующую линзу, последовательно соединенные сканирующий фотодетектор (диссектор), расположенный приемной поверхностью в фокальной плоскости фокусирующей линзы, аналого-цифровой, преобразователь, блок преобразования кодов и первый счетчик, последовательно соединенные блок памяти, схему совпадения кодов, второй счетчик и блок управления скаНИрОВаНИГ М, выходом подключи-ПНЬП к 76 сканирующему фотодетектору, а также регистрирующий прибор 2 . Измерение структурной характеристики показателя преломления атмосферы ( с помощью указанного устройства происходит следующим образом. Световой пучок, сформированньй источником излучения и прошедший измерительную трассу в атмосфере, фокусируется линзой в плоскости сканирующего фотодетектора, например диссектора с щелевой апертурой, длина которой превышает максимально возможный размер изображения источника. При сканировании раскрывом щели светового пятна, сформированного на фотокатоде диссектора, на аноде формируется видеоимпульс Uc(t) и площадь, ограниченная огибающей видеоимпульса, пропорциональна полному световому потоку, падающему на линзу. Поэтому, интегрируя видеосигнал за период кадровой,развертки Т,, формируют напряжение U,, пропорциональное полному световому потоку If, (t)dt. В течение второго кадра сканирования (развертки текущее напряжение сравнивается с половиной измеренного в течение первого кадра напряжения и до момента осуществления равенства ч |и (t)dt I Unлв момент времени tц щелевая апертура диссектора совмещается вертикальным сечением энергетического центра тяжести изображения источника и производится измерение напряжения, пропорционального световому потоку, прошедшему через щелевую апертуру 1. По измеренному значению СГц, отнесенному к полному потоку If,, можно определить значение . ,{с5|2е4-оА2«) (О oPccos -ifl-iZjV др -i lx-.Mo(iH. D,(2Rb2.9C;,K x(2R):, радиус фокусирующей линзы; 1:и1Л 1О юе число; длина волны источника излучения;фокусное расстояние фокусирующей линзы; длина измерительной трассы; ширина щелевой апертуры. При работе в реальной атмосфере отношение ц./ меняется за счет влиянии фоновых засветок, обусловленных фоном дневного или ночного неба, или фоном от других источников света, что приводит к значительньм погрешностям при измерении При сканировании щелевой апертурой диссектора измеренный световой поток через щель определяется соотношением . ц..ф. ) а измеренный полный поток - соотно шением n. где U 3:,j, .п,и йТ.д, - добавки за счет ф новых засветок. Причем влияние й1г,ф на изменени очень велико, так как эта до бавка накапливается в течение всего кадра, а размер изображения все да меньше длительности кадра, т.е ) - й1ц.Ср. При отношении сигнал/шум, равном 5, и при условии, что в кадре из 256 дискретовизображение занимает 100 дискретов, легко установить, что погрешность при измерени ц/3„ составляет 25-30%. При уве личении фоновых засветок, которые уменьшают отношение сигнал/шум, и при уменьшении размера изображения погрешность возрастает. При сканировании светового пятна за период кадровой развертки на выходе диссектора формируется видеосигнал, пропорциональный интенсивностям фо кального светового пятна и фоновой засветки. Причем при длительных су точных измерениях С уровень фоно засветки меняется. Это приводит к постоянно меняющейся погрешности п измерениях структурной постоянной показателя преломлени.я атмосферы 64 счет измекепин отношения 1,,/1 связанного с характеристикой турбулентности. Цель изобретения - повышение точности измерений структурной характеристики показателя преломления атмосферы. Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее источник излучения, фокусирующую линзу, последовательно соединенные сканирующий фотодетектор, расположенный приемной поверхностью в фокальной плоскости фокусирующей линзы, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок преобразования кодов и первый счетчик, последовательно соединенные блок памяти, схему совпадения кодов, второй счетчик и блок управления сканированием, выходом подключенньй к сканирующему фотодетекторуj а также регистрирующий прибор, снабжено последовательно соединенными обнаружителем сигналов, первым электронным ключом, блоком осреднения,.дополнительным блоком памяти и схемой вычитания, а также вторым электронным ключом, выход которого соединен с входом схемы вычитания, выход которой подключен к регистрирующему прибору, первому блоку памяти и входу схемы совпадения кодов, при этом вход обнаружителя сигналов соединен с выходом подключенного к блоку управления сканирующего фотодетектора, а выход - с входом второго электронного ключа, входы электронных ключей соединены с выходом первого счетчика, а вход блока осреднения - с выходом второго счетчика, На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу. Устройство содержит источник I излучения, фокусирующую линзу 2, в фокальной плоскости которой расположена приемная поверхность сканирующего фотодетектора 3, соединенного с последовательно расположенными АЦП Д, блоком 5 преобразования кодов, первьй счетчиком 6, а также с обнаружителем 7 сигналов, подключенным к вторым входам двух элек- . , тронных ключей 8 и 9, первые входы которых соединены с выходом первого счетчика 6, последовательно соединенные схему 10 вычитания кодов, блок II памяти, схему 12 совпаде$ния кодов, второй пчетчик 13, блок управления, выходом подключенный к фотодетектору 3, а также регистрирующий прибор 15 и последовательно соединенные блок 16 осреднения и дополнительный блок 17 памяти, выходом подключенный к второму входу схемы 10 вычитания, причем выход фотодетектора 3 подключен к входу обнаружителя 7 сигналов выход схемы 10 вычитания кодой подключен к второму входу схемы 12 совпадения кодов и к вькоду perticTрирующего прибора 15, второй выход второго счетчика 13 подключен ft второму входу блока 16 осреднения, а другие входы блока 16 осреднения и схемы 10 вычитания соединены с выходами первого и второго электрон ных ключей соответственно. Устройство работает следующим образом. Световой пучок, сформированный источником 1 излучения и прошедший турбулентную атмосферу, фокусирует ся линзо : 2 в приемной плоскости сканирующего фотодетектора 3, например диссектора с щелевой апертурой. В блоке 14 управления форми руется напряжение кадровой разверт ки (фиг. 2, кривая а), импульсы тактовой частоты (фиг. 2, кривая в и кадровые синхроимпульсы (фиг. 2, кривая г), с помощью которых осуществляется привязка во времени работы всех блоков устройства. Фор мируемый на выходе фотодетектора (диссектора) 3 при сканировании дифракционного изображения видеосигнал (фиг. 2, кривая 8)в виде им пульсов положительной полярности с частотой кадров поступает на вход АЦП 4, работающего по схеме неразрядного кодирования; вместе с ним на вход АЦП 4 поступает сигнал, об словленный фоновой засветкой фотодиода диссектора 3. После преобразования с выхода АЦП 4 информация о распределении интенсивности в ди фракционном изображении и об уровне фоновой засветки в виде двоичного параллельного кода поступает на блок 5 преобразования кодов, гд осуществляется преобразование пара лельного двоичного кода в числоимпульсный код, который накапливается в счетчике 6. 66 При отсутствии видеоимпульса, т.е. пока вырезывающая апертура диссектора не совместилась с дифракционным изображением, на вторые входы электронных ключей 8 и 9 поступает с обнаружителя сигнал низкого уровня, который открывает ключ 8 и закрывает ключ 9. Код, пропорциональный накопленному за время сканирования фону, поступает в блок 16 осреднения, на второй вход которого поступает текущая сумма тактовых импульсов с выхода счетчика 13. При совмещении вырезывающей апертуры диссектора с краем дифракционного изображения срабатывает обнаружитель 7, на выходе которого формируется положительный прямоугольный импульс, передним фронтом которого закрьгаается электронный ключ 8 и открывается электронный ключ 9. Синхроимпульс обнаружителя, соответствующий переднему фронту, очищает первый счетчик 6, подготовив его к някоплению данных о распределении интенсивности в сечении дифракционного изображения источника 1 излучения. Одновременно в блоке 16 осреднения путем деления кода, равного накопленному фону, на код, равный сумме тактовых импульсов, вычисляется средний ypoEieHb фона за такт преобразования (развертки). Это значение запоминается в блоке 17 памяти на время, равное длительности импульса обнаружителя (рявной длительности видеоимпульса). В течение этого времени текущее значение амплитуды видеоимпульса, подсчитанное по тактам в первом счетчике 6, поступает через открытый электронный ключ 9 на первый вход схемы 10 вычитания, на второй вход которой поступает код, равный среднему уровню фона за такт преобразования. Очищенная от фqнa в схеме 10 вычитания информация накаливается в блоке 11 памяти и регистрирующем приборе 15. Задним фронтом импульса обнаружителя 7 обнуляется первый счетчик 6, закрывается ключ 9 и открывается ключ 8. момент вреени в блоке 11 памяти и в регистрирующем приборе имеется информация о полной интенсивности 3 дифракционного изображения источника, причем эта информация очищена от фоновой засветки. В течение с.иедующеч-о кпдра цикл измерения фона повторяется, а при срабатывании обнаружителя 7 информа(1ия, поступающая с выхода схемы 10 вычитания, поступает на второй вход схемы 12 совпадения кодов, на первый вход которой поступает полови на информации 3./2, запомненной в блоке 11 памяти. При совпадении кодов на выходе схемы 12 совпадения ко дов формируется логический перепад, фиксирующий момент времени 1ц, в который совмещается сканирующая щелевая апертура фотодетектора 3 с сечением энергетического центра тяжести изображения источника 1. Этот пе репад запрещает счет тактовых импульсов , который производится во втором счетчике 13 от.начала кадра до появления логического перепада на выходе схемы 12 совпадения кодов По окончании счета на блок 14 управления с выхода счетчика 13 посту пает импульс запрета зарвертки и до конца кадра с фотодетектора 3 на блок АЦП 4 и обнаружитель 7 поступает сигнал, прямо пропорциональный интенсивности светового потока 1 в эргергетическом центре тяжести изображения. После преобразования в блоках 4 и 5 эта информация посл4 счетчика 6 через открытый ключ 9 поступает на схему 10 вычитания, где очищается от фона и затем поступает в регистрирующий прибор 15. Таким образом, в течение двух кадров в регистрирующем приборе 15 происходит запись значений полного светового потока 1 и потока 1ц через щель, совмещенную с непрерывно отслеживаемым сечением энергетического центра тяжести дифракционного изображения источника 1, причем как значение J,,, так и значение Зц не содержат фоновой составляющей. В регистрирующем приборе 15 вычисляется отношение 1ц/1п и определяется значение С„. Предлагаемое устройство позвоЛяет повысить точность измерения С., за счет устранения погрешностей, связанных с влиянием фоновых засветок.

ИрезК.

Ifr

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее источник излучения, фокусирующую линзу, последовательно соединенные сканирующий фотодетектвр, расположенный приемной поверхностью в фокальной плоскости фокусирующей линзы, аналого-цифровой преобразователь, блок преобразования кодов и первый счетчик, последовательно соединенные блок памяти, схему совпадения кодов, второй счетчик и блок управления сканированием, выходом подключенный к сканирующему фотодетектору, а также регистрирующий прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено последовательно соединенными обнаружителем сигналов, первым электронным ключом, блоком осреднения, дополнительным блоком памяти и схемой вычитания, а также вторым электронным ключом, выход которого соединен с входом схемы вычитания, выход которой подключен к регистрирующему прибору, первому блоку памяти и входу схемы совпадения кодов, при этом вход обнаружи(Л теля сигналов соединен с выходом подключенного к блоку управления сканирующего фотодетектора, а выходс входом второго электронного ключа, входы электронных ключей соединены с выходом первого счетчика, а вход блока осреднения - с выходом второго счетчика.

UoSn.

синхр,

сигнала

Синхроимпульс

тдра

. Сишроин- I /пильс 2клю-

Синхроимпульс 1

т срона

fpue.2