Способ измерения оптических характеристик рассеивающих сред Советский патент 1989 года по МПК G01N21/47 

Изобретение относится к оптико-физическим измерениям и может быть использовано для контроля уровня аэрозольных загрязнений, в оптической локации и т.д.

Цель изобретения - повышение точности измерений при наличии фоновой засветки и инструментальных ограничений на точность юстировки оптических осей излучателя и приемника.

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализуюии го предлагаемый способ.

Устройство содержит блок 1 управления, блок 2 формирования регулируемой задержки, блок 3 распределителя импульсов, оптическую систему приемника 4, фотоприемник 5, стробируемый усилитель 6, запоминающее устройство 7, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8, вычислитель 9, излучатель 10, фотоприемник 11 опорного канала, электронный счетчик 12, генератор 13 тактовых импульсов, электромеханический привод 14 и регистратор 15.

00

со

(Люсоб осуцес riiJUiior следующим обра л ом .

LS исхч, иом состоянии при сриксиро- иаитплх значе шях дштьиос гей or чателя и приемника до центра визируемого объема исследуемой среды R, и R, угловой расходимости излучения Э и величине углового ноля зрения приемника 0, осуществляемся измерение уровня ноступающей фоновой засветки. Для этого сигналом с блока 1 управления запускается блок 2 фop шpoвaния регулируемой задержки, который осуществляет временную расстановку упранля щих сигналов, С его выхода сигнал поступает на вход блока 3 распределителя импульсол, также управляемого ко- мандаьп с блока 1 , Распредетиггель импульсов (демультиплексор, селектор) направляет входные сигналы по адресам поступаюпу1м на его управляющие г ;-и1ды. Фоновая засветка через оптическ п систему приемника 4 поступает на .pi го- приемиик 5, преобразуется в элекгри- ческий сигнал и поступает на строби- руемьш усилитель б. При поступлении на его управляющий вход стробируюгдего импульса с блока 3 на выходе усршите- ля 6 появится импульс, амплитуда ко- торого пропорциональна интенсивности фона. В запоьпгнающем устройстве 7, включающим в себя пиковьш детектор, операционньй усилитель с высоким входным сопротивлением и сбросовый ключ, этот импульс расширяется до необходимой для работы последующих устройств величины, преобразуется в цифров та форму в АЦП 8 и подается в вьшисли- тель 9. Сброс запоминающего устройст- ва 7 и запуск АЦП 8 производится импульсами с блока 3 распределения импульсов.

Затем импульсом с блока 3 распределителя запускается излучатель 10, который генерирует оптически импульс Часть рассеянного исследуемой средой излучения поступит через оптическую систему приемника 4 на фотоприам- ник 5 и усилитель б, с выхода которого электрический сигнал, несущий информацию о рассеивающих свойствах среды, через запоминающее устройство 7 и АЦП 8 подается в вычислитель 9. Временное положение и иифипа строба с блока 3 на усилитель б выбираются так чтобы pacceянныJ средой сигнал окавгм - :;я внутри строба.

В момент излучения оптического сигнала выходным импульсом фотопри- омника 11 опорного канала, на который отводится часть зондирующего излучения, запускается электронный счетчик 12. На его счетньй вход подаются тактовые импульсы с генератора 13 тактовых импульсов, который осуществляет синхронизацию блоков 1-3 и АЦП 8 устройства. Сигналом с выхода фотоприемника 5, задержанным относительно импульса фотонриемника 11 опорного канала на время прохождения световым сигналом расстояния от излучателя через исследуемый объем до приемника, счетчик прекращает счет импульсов, и его выходной код, соответствующий измеряемой дальности, подается в вычислитель 9.

При известном расстояшш (базе) L между излучателем и приемником и выбранном угле рассеяния по измеренной величине R R + R можно легко определить расстояния R и R. После этого вычисляется параметр

V PIJ®I b-CRoeJR, e,)

Р(0,) - р(0,)

еТ

где Рф(0, ) и P jC®,) - измеряемые значения принятых фонового и суммарного сигналов при фиксированном значении б,- угла поля зрения приемной системы RJJ, R, - расстояния от излучателя и приемника до центра визируемого объема ;

расходимость пучка излучения. Затем решается уравне1ше

я - 36сfl - 18 cQa -b-Q3 о.

0

где 51 02 ;

Q (R,e,/R,)

с

допустимая угловая погрешность юстировки (этот параметр характеризует инструментальную точность оптико-меха- пической системы конкретного устройства) . Решение этого уравнения позволяет определить опт1шальное значение угла поля зрения б б opt, минимизирующее относительную погрешность измерений.

Сигнал регулирования с выхода вычислителя 9 подается на электромеханический привод 14, с помощью которого угловое поле зрения оптической системы приемника 4 выставляется равным оптимальному G . Это можно сделать, например изменением диаметра отверсгия диафрагмы поля зрения приемной оптики (использовав, к примеру, ирисовую диафрагму), которая устанавливается обычно в фокальной плоскости объектива. Отметим, что после вычисления б возможна и ручная установка оптималь0

Формула

и

6

3 о б р

е т е и и я

Способ измерения оптических характеристик рассеивающих сред, заключающийся в том, что направляют в среду электромагнитное излучение, принимают рассеянное излучение, преобразуют рассеянное излучение в электрический сигнал и вычисляют искомые оптические характеристики, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерений при наличии фоновой засветки и инструментальных ограничений

Способ измерения оптических характеристик рассеивающих сред относительно к области оптико-физических измерений. Цель изобретения - повышение точности измерений при наличии фоновой засветки и инструментальных ограничений на точность юстировки оптических осей излучателя и приемника. Способ заключается в предварительном измерении уровня фоновой засветки и смеси сигнала и фона при фиксированном значении угла поля зрения приемника, вычислении промежуточного параметра, характеризующего фоновую погрешность измерения, вычислении оптимального значения угла поля зрения. На основе решения приведенного в формуле уравнения, устанавливают угол зрения равным оптимальному и в дальнейшем осуществляют излучение оптического сигнала, прием и преобразование рассеянного оптического сигнала в электрический и вычисление искомых оптических характеристик. Благодаря проведению последовательности предварительных операций по определению оптимального значения угла поля зрения оптической системы удается минимизировать относительную погрешность измерений. 1 ил.

ного угла поля зрения приемной систе-15 а точность юстировки, предварительно.

мы.определяют оптимальное значение угла

поля зрения, для чего до направления элекгромагнитного излучения фиксируют значение угла в-, паля зрения приемной системы, измеряют сигналы Р (б,) фоновой засветки, направляют в среду электромагнитное излучение, идентичное применяемому при измерениях, из30

Далее по сигналу, переданному через блоки 1-3, излучатель 10 генерирует оптический импульс, рассеянное средой излучение принимается, измеряет- 20 ся и подается в вычислитель 9 для вычисления искомой оптической характеристики (например, коэффициента рассеяния) по известным методикам. Результат вычислений выдается на регистратор 15.

Использование предлагаемого способа измерения оптических характеристик рассеивающих сред обеспечивает по сравнению с существующими способами повышение точности измерений при работе в реальных условиях, т.е. при наличии интенсивной фоновой засветки и при неизбежности инструменгальнык ограничений на точность юстировки оптических осей излучателя и приемника.

Оценим выигрыш в точности измерений коэффициента рассеяния для конкретных условий. Пусть допустимая ин- 40 струментальная ошибка юстировки J 32 10 рад, спектральная яркость фона дневного неба В 10 «А-стер (среднее значение для средних широт). .Тогда согласно способу по-45 лучим оптимальное значение ,5 мрад, погрешность о 7%. При установке неоптимальных значений 0 , например 1 и 6 мрад, относительная погрешность существенно вьш1е с 25%, т.е. налицо 50 выигрьш в точности измерений приблизительно в 3,5 раза.

меряют сигнал Р (б,) су1.1мы рассеян- 25 ного и фонового сигнала, определяют расстояние R, соответственно от излучателя и от приемника излучения до центра измеряемого объема среды и расходимость числяют параметр

6д пучка излучения, вы35

., P(fj) 6-(Ro./Rie)

pj(0,)-p;(ej еГ

определяют оптимальное значение угла поля зрения 6 из уравнения

0.

-

- i-«

- ЗбсЯз - 18cQfi2 + 3cQ2« О,

ем

(R..

- допустимая абсолютная угловая

ошибка юстировки, устанавливают угол поля зрения прии

емной системы, равным оптимальному.

меряют сигнал Р (б,) су1.1мы рассеян- ного и фонового сигнала, определяют расстояние R, соответственно от излучателя и от приемника излучения до центра измеряемого объема среды и расходимость числяют параметр

6д пучка излучения, вы

., P(fj) 6-(Ro./Rie)

pj(0,)-p;(ej еГ

определяют оптимальное значение угла поля зрения 6 из уравнения

- ЗбсЯз - 18cQfi2 + 3cQ2«

- i-«

О,

ем

(R..

- допустимая абсолютная угловая

ошибка юстировки, устанавливают угол поля зрения прии

емной системы, равным оптимальному.