Устройство дистанционного обнаружения объектов по спектральным характеристикам Советский патент 1991 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к индивидуальным носимым средствам диагностики сос-15 тояния растений, степени их поражения заболеваниями,оконтуривания пораженных участков и т.д.,и может быть использовано в экологии и охране природы, при определении мест загрязне- 20

ния поверхности воды и почвы, а также в геологии при поиске полезных ископаемых.

Цель изобретения - повышение достоверности обнаружения путем комплекс- 25 ного определения спектральных характеристик яркости, отражения и флуоресценции при полевых маршрутных режимах индивидуального поиска.

На фиг.1 представлена структурная 30 схема устройства; на фиг.2 - узел аналогового преобразователя.

Устройство содержит направленный N на исследуемый участок 1 местности ,, объектив 2, а также коллиматор 3, спектральный прибор 4, фотодетектор 5, узел 6 обработки результатов, блок 7 индикации, вход 8 выбора режима, синхронизатор 9, целеуказатель Q 10, вторичный преобразователь 11 питания, фотоприемникл 12 контроля мощности, лазер 13,умножители 14 частоты, вход 15 Пуск синхронизатора 9. выход 16 синхронизатора, выход 17 д5 контроля мощности лазера 13, сигнализатор 18 целеуказателя 10, выход 19 сигнала готовности вторичного преобразователя 11 питания, окуляр 20.

Объектив 2 собирает свет отобъек- 4 50 та 1, формирует из него с помощью коллиматора 3 параллельный пучок и подает на спектральный прибор 4. Последний может быть выполнен, например, на основе дифракционной реше.тки или ,, призмы. Фотоприемником 12 и.фотодетектором 5 могут служить, например, фо- тодиоды, фотодиодные матрицы, фотосопротивления, ФЭУ и другие преобразователи оптического сигнала в электрический.

Синхронизатор формирует время 3- 4 с и осуществляет синхронизацию работы всех узлов. Целеуказатель 10 формирует сигнал управления сигнализатором 18 (маркером). В зависимости от сигнала на входе 8 (режим работы) сигнализатор 18 постоянно включен либо гаснет. Прекращение мигания маркера сигнализирует об измерении флуоресценции, постоянное включение маркера - об измерении коэффициента отражения, а включение - об измерении коэффициента яркости объекта при активном облучении лазером на выбранных длинах волн.

По окончании режима облучения и времени на подготовку питания лазера с выхода 19 приходит сигнал готовности вторичного преобразователя 11, а после 3-4 с индикации результата целеуказатель 10 по команде управления с выхода 16 дает разрешение на мигани маркера и запрет на его постоянное горение.

Вторичный преобразователь 11 питания производит накопление энергии от источника питания, например, аккумуляторных батарей или сухих элементов, дает сигнал готовности на вход 19 и разрешает включение лазера 13 по команде синхронизатора.

В устройстве может быть использован твердотельный лазе р с выходной мощностью излучения Р - 5 МВт на длине волны ft 1,06 мкм и длительностью импульса Ј 10 с1. Мхьдность излучения лазера 13 измеряется фотоприемником 12 контроля мощности, используемым в дальнейшем для определения коэффициента отражения путем деления сигнала отражения от объекта, полученного вычитанием яркости до облучения из яркости после облучения на интенсивность облучения, т.е. на мощность излучения лазера на A/j .

Получение длин волн облучения Л и обеспечивает использование умножителей 14 частоты, например на и КОР. Умножители 14 частоты позволяют добавить в исходное излучение необходимые частоты, например, 2 и 3 гармоники и таким образом использовать многочастотное моноимпульсное облучение, т.е. в одном импульсе с 0 присутствуют Л, , flx, ft-i .

16

Узел 6 обработки результатов выполняет следующие операции: усиление и нормирование сигналов детекторов, передачу их на индикаторы по сигналу управления с выхода 16. синхронизатора 9, запоминание этих сигналов, полученных до облучения, и вычитание их из сигналов, полученных после облучения, для получения сигналов, вызванных только облучением, деление разностных сигналов на сигнал мощности излучения для получения эквивалентов коэффициентов отражения или деление разностных сигналов на эталонные сигналы, пропорциональные отражению на выбранных длинах волн эталонной поверхностью, перпендикулярной к падающему облучению, для получения эквивалентов коэффициентов спектральной яркости, а также передачу полученных эквивалентов и сигнала флуоресценции на соответствующие индикаторы в блоке индикации по сигналу управления с выхода 16.

Узел 6 обработки результатов содержит не менее 4 идентичных элементов. Каждый элемент включает усилитель 21, пиковый детектор 22, устройства 23 выборки-хранения (УВХ), ключи 24 и 25, схему 26 вычитания, схему 27 деления, вход 28 эталонного напряжения, выход 16 синхронизатора, вход выбора режима, выход 17 контроля мощности лазера. Пиковый детектор 22 по команде управления входа 1 управления фиксирует максимальное значение сигнала фотодетектора при (или после) облучении объекта. Устройство 23 выборки-хранения, например , в исходном состоянии передает усиленный сигнал фотодегектора 5, эквивалентный яркости на каждой из . выбранных длин волн, на соответствующие индикаторы или по команде управления на выходе 16 запоминает его значение, предшествовавшее облучению объекта.

10

15

20

313766

Схема 26 вычитания осуществляет вычитание сигнала УВХ из сигнала пикового детектора, т.е. вычитание сигнала фотодетектора 5 после облучения объекта. Тем самым получают сигнал вызванный только облучением. Это позволяет для длины волны флуоресценции 4 получить сигнал, эквивалентный . флуоресценции, вызванный облучением, и при этом на длинах волн А, , ft АЗ сигналы, эквивалентные яркости. Схема 27 деления осуществляет деление разностного сигнала со схемы 26 вычитания на одно из напряжений по выходу 17 случае определения коэффициента отражения (КО) или по входу 28 - в случае определения коэффициента яркости (КЯ), в зависимости от команды выбора режима по входу 8. Результат через ключ 25 подается на индикатор.

Ключи 24 и 25 по сигналу с выхода 16 синхронизатора 9 выдают на ин- 25 дикацию либо сигнал с УВХ (ключ 24), либо сигнал со схемы деления (ключ 25).

Узел обработки результатов работает следующим образом.

В исходном состоянии отсутствие команды по выходу 16 синхронизатора 9 разрешает прохождение сигнала с фотодетектора 5 через усилитесь 21, УВХ 23 и ключ 24 на блок индикации. При этом на блоке 7 индикации представлен результат определения спектральной яркости на выбранных fl . По команде с выхода 16 синхронизатора 9 происходит запоминание сигнала с фотодетектора 5 на УВХ 23, ключ 24 закрывается, а ключ 25 открывается. Сигнал с фотодетектора 5 через усилитель 21 поступает параллельно на УВХ 23 и на пиковый детектор 22, который фиксирует его максимальное значение и подает на схему 26 вычитания. Здесь из него вычитается сигнал, поступающий с УВХ, а результат подается на схему 27 деления. В зависимости от выбранного режима по входу 8 происходит деление на один из сигналов, поступающих с выхода 17 или по входу 28 о

Результат деления через ключ 25

30

35

40

45

50

55

поступает на блок 7 индикации. По окончании времени индикации сигналов флуоресценции КО и КЯ синхронизатор 9 устанавливает узел обработки ре- зулыато в в исходное состояние. При

г-

этом на индикаторе вновь будет результат определения яркости в отсутствие облучения.

Устройство дистанционного обнаружения объектов по спектральным харак теристикам работает следующим образом.

Оптический сигнал от объекта 1 через объектив 2, коллиматор 3 поступает на спектральный прибор 4 и далее в виде спектральных линий на фотодетектор 5. Здесь оптический сигнал преобразуется в электрические по каждой из выбранных длин волн. Электри- ческие сигналы с фотодетектора 5 поступают на узел 6 обработки результата, усиливаются и подаются на блок 7 индикации. При этом наблюдатель видит объект, на индикаторе - результат измерения яркости, на схеме 10 целеуказания - мигающий сигнализатор 18. Далее по входу наблюдатель выбирает один из двух режимов работы, а по входу 15 запускает синхронизатор 9. Последний по выходу 16 управления вырабатывает команду на запоминание результата измерения спектральной яркости, а на вторичный преобразователь 11 питания подает команду на запуск лазера 13. При этом излучение лазера 13 совместно с излучением умножителей 14 частоты через объектив 2 поступает на объект 1, а сигнализатор 18 схемы целеуказателя пере - стает мигать.

Оптический сигнал от объекта 1, полученный в результате облучения, через объектив 2, коллиматор 3, спектральный прибор 4 поступает на фото- детектор 5, преобразуется в электрические ,которые подаются в узел 6 обработки результатов. Здесь происходят вычитание результатов, полученных фотодетектором 5 до облучения из результатов, полученных посл-е облучения, выделение сигнала флуоресценции по одному из каналов и деление результатов вычитания на сигнал контроля мощности лазера или эталонное напряжение по остальным каналам. Сигнализацию выбранного режима осуществляет схема 10 целеуказания путем включения маркера при измерении коэффициента отражения и его выключения при измерении коэффициента яркости, а факт отсутствия мигания маркера еиг- нализирует об измерении флуоресценции После 3-4 с индикации результатов

5

п 25 о

е.Q - а- и.

35

синхронизатор 9 устанавливает устройство в исходное состояние. Свидетельством тому является мигание маркера. Устройство готово к следующему циклу анализа объекта.

Комплексное использование спектральных характеристик яркости, флуоресценции, коэффициентов яркости и ( отражения позволяет повысить информативность анализа и достоверность обнаружения. Многочастотный моноимпульсный режим облучения объекта и анализа результатов позволяет повысить экспрессность анализа и существенно уменьшить габариты, вес и энергопотребление устройства. Предварительный выбор объекта по параметрам яркости позволяет сузить количество исследуемых объектов и тем самым уменьшить количество облучений для определения флуоресценции характеристик, что существенно снижает энергопотребление устройства. Это позволяет использовать устройство в качестве носимого индивидуального средства анализа.

Формула изобретения

1. Устройство дистанционного обнаружения объектов по спектральным характеристикам, включающее находящиеся на одной оптической оси объектив, коллиматор, спектральный прибор и фотодетектор, а также лазер, оптическая ось которого совмещена с опти - ческой осью объектива, и оптически связанный с лазером фотоприемник контроля мощности, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности обнаружения путем комплексного определения спектральных характеристик яркости, отражения и флуоресценции, в него дополнительно введены состоящий из по крайней мере четырех идентичных элементов узел обработки результатов, а также соединенный с ним блок индикации, синхронизатор , соединенный выходами со схемой целеуказания, узлом обработки результатов и вторичным преобразователем питания, выход готовности которого соединен со схемой целеуказания и синхронизатором, а другой выход соединен с лазером, по ходу излучения которого установлены умножители частоты, при этом фотоприемник контроля мощности соединен с узлом обработки

результатов, к другим входам которого подключены шины фотодетектора и выбора режима работы, причем последняя параллельно соединена со схемой целеуказания, содержащей сигнализатор, который с блоком индикации расположен на оптической оси объектива, при этом фотодетектор содержит по крайней мере четыре элемента, чувствительных в различных спектральных диапазонах.

2, . Устройство по п. отличающееся тем, что каждый элемент уэла обработки результатов в одном из спектральных диапазонов содержит усилитель, соединенный с соо10

15

63137610

ответствующим элементом фотодетектора, а также пиковый детектор и устройство выборки-хранения,соединен-- ные первыми входами с усилителем, а выходами подключенные к схеме вычитания, соединенной со схемой деления, на входы которой подключены шины режима работы фотоприемника контроля мощности лазера и эталонного напряжения, а выход соединен с первым входом первого ключа, соединенного выходом с блоком индикации и выходом второго ключа, у которого первый вход соединен с устройством выборки-хранения, а второй параллельно с вторым входом первого ключа соединен с выходом синхронизатора о

Изобретение относится к области сельского хозяйства, может быть использовано в области экологии и охраны природы. Цель изобретения - повышение достоверности обнаружения путем комплексного использования спектральных характеристик яркости, отражения и флуоресценции при полевых мар- ирутных режимах индивидуального поиска. Устройство состоит из объектива 2, коллиматора 3, спектрального при бора 4, фотодетектора 5. находящихся на одной оптической оси и ориентированных через объектив на объект 1, лазера 13, фотоприемника 12 контроля мощности, соединенных между S

21

22

24

25

26

27

8

Фиг. 2

П 28