RU2405207C2 - Method of detecting exhaust products of gas-dynamic systems in atmosphere - Google Patents
Method of detecting exhaust products of gas-dynamic systems in atmosphere Download PDFInfo
- Publication number
- RU2405207C2 RU2405207C2 RU2008147507/08A RU2008147507A RU2405207C2 RU 2405207 C2 RU2405207 C2 RU 2405207C2 RU 2008147507/08 A RU2008147507/08 A RU 2008147507/08A RU 2008147507 A RU2008147507 A RU 2008147507A RU 2405207 C2 RU2405207 C2 RU 2405207C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- atmosphere
- exhaust products
- radiation
- spectral
- gas
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к системам мониторинга окружающей среды, в частности к системам обнаружения и оповещения об опасных явлениях в атмосфере, и может быть использовано в космических инфракрасных датчиках обнаружения выхлопных продуктов в атмосфере.The invention relates to environmental monitoring systems, in particular to systems for detecting and warning of dangerous phenomena in the atmosphere, and can be used in space infrared sensors for detecting exhaust products in the atmosphere.
Известен способ обнаружения различных объектов, когда инфракрасная система обнаружения на спутнике принимает сигнал от тела в пространстве, например астероида, спутника, который вышел из строя, или находящихся в пространстве обломков [1, стр.164]. Если характеристикой обнаруженного объекта является его температура, то спектральный диапазон разделяют на две отстоящие одна от другой части, каждая из которых регистрируется отдельным многоэлементным приемником со своим спектральным фильтром, причем фильтр и приемник охлаждаются до 2-15К.A known method of detecting various objects when an infrared detection system on a satellite receives a signal from a body in space, such as an asteroid, a satellite that has failed, or debris located in space [1, p.164]. If the characteristic of the detected object is its temperature, then the spectral range is divided into two parts spaced apart from each other, each of which is recorded by a separate multi-element receiver with its own spectral filter, and the filter and receiver are cooled to 2-15K.
К недостаткам этого способа следует отнести необходимость проводить наблюдения на низком фоновом уровне космического пространства, а также необходимость охлаждения приемной оптической системы до достаточно низкой температуры (20-70К).The disadvantages of this method include the need to conduct observations at a low background level of outer space, as well as the need to cool the receiving optical system to a sufficiently low temperature (20-70K).
Известен способ обнаружения из космоса факела выхлопных газов и нагретых частей двигателя самолета, летящего на большой высоте [1, стр.170]. Приемное устройство, работающее в спектральном диапазоне 3-5 мкм, периодически сканирует некоторый район, формируя серию кадров. В дневных условиях рассеянное солнечное излучение от облаков создает фоновые помехи, которые превышают по уровню полезный сигнал и имеют большую пространственно-временную изменчивость. Поэтому для обеспечения хороших характеристик обнаружения (высокой вероятности обнаружения при низкой частоте ложных тревог) применяется специальная обработка серии наблюдений, которая осуществляется компьютером, работающим в реальном времени. Самолет длительное время (порядка часа) находится в поле зрения системы обнаружения, что позволяет провести накопление полезного сигнала по траектории самолета. В случае обнаружения выхлопных продуктов газодинамических систем, такое длительное накопление сигнала осуществить невозможно и их обнаружение в спектральном диапазоне 3-5 мкм становится неэффективным.A known method of detecting from space a torch of exhaust gases and heated parts of the engine of an airplane flying at high altitude [1, p. 170]. A receiving device operating in the spectral range of 3-5 μm periodically scans a certain area, forming a series of frames. In daytime conditions, the scattered solar radiation from the clouds creates background noise that exceeds the level of the useful signal and has a large spatio-temporal variability. Therefore, to ensure good detection characteristics (high probability of detection at a low false alarm rate), special processing of a series of observations is used, which is carried out by a computer operating in real time. The aircraft has been in the field of view of the detection system for a long time (about an hour), which makes it possible to accumulate a useful signal along the trajectory of the aircraft. In the case of detection of exhaust products of gas-dynamic systems, such a long-term accumulation of the signal is impossible and their detection in the spectral range of 3-5 μm becomes ineffective.
Известны способы и устройства обнаружения пламени и взрыва, использующие измерения инфракрасного излучения пламени и взрыва в двух и более спектральных диапазонах: патенты RU 2296370, US 6064064, US 6518574, US 4206454, US 5612676. Общим для указанных детекторов является то, что в них используются несколько (два и более) фотоприемников с оптическими фильтрами, настроенными на излучение пламени или на излучение фоновых помех.Known methods and devices for detecting flame and explosion using infrared radiation of flame and explosion in two or more spectral ranges: patents RU 2296370, US 6064064, US 6518574, US 4206454, US 5612676. Common to these detectors is that they use several (two or more) photodetectors with optical filters tuned to emit flame or to emit background noise.
В инфракрасном многодиапазонном детекторе пламени и взрыва (патент RU 2296370) выполнение функций оптических каналов измерения и логической схемы сравнения осуществляется единым инфракрасным, полупроводниковым, многодиапазонным, двухпанельным неохлаждаемым матричным преобразователем, составленным из фотоэлектрических элементов на основе твердого раствора селенида свинца и селенида кадмия с установленными перед ними оптическими фильтрами. Две панели элементов образуют каналы пламени и оптических помех, спектральные характеристики чувствительности которых соответствуют характерным спектрам излучения пламени различных типов и помех.In the infrared multiband flame and explosion detector (patent RU 2296370), the functions of the optical measurement channels and the logic comparison circuit are performed by a single infrared, semiconductor, multiband, two-panel uncooled matrix converter composed of photoelectric elements based on a solid solution of lead selenide and cadmium selenide with them with optical filters. Two panels of elements form the channels of the flame and optical interference, the spectral characteristics of the sensitivity of which correspond to the characteristic emission spectra of the flame of various types and interference.
Предложенный в патенте US 6064064 детектор содержит три фотоприемника: один основной фотоприемник, работающий в диапазоне 1.1-3.8 мкм и реагирующий на излучение пламени, и два вспомогательных фотоприемника, регистрирующих излучение от оптических помех в спектральных диапазонах 0.4-0.7 мкм и 0.7-1.1 мкм.The detector proposed in the patent US 6064064 contains three photodetectors: one main photodetector operating in the range 1.1-3.8 μm and responding to flame radiation, and two auxiliary photodetectors recording radiation from optical noise in the spectral ranges 0.4-0.7 μm and 0.7-1.1 μm.
Предложенный в патенте US 6518574 детектор содержит два основных фотоприемника: один фотоприемник регистрирует излучение пламени в широкой полосе 0.7-3.5 мкм, а второй фотоприемник реагирует на излучение пламени в относительно узкой полосе вблизи 4.3 мкм, а также три вспомогательных фотоприемника, регистрирующих излучение от оптических помех в видимом (0.4-0.6 мкм), ближнем ИК (0.7-1.0 мкм) и ультрафиолетовом спектральных диапазонах.The detector proposed in US Pat. No. 6,518,574 contains two main photodetectors: one photodetector detects flame radiation in a wide band of 0.7-3.5 μm, and the second photodetector reacts to flame radiation in a relatively narrow band near 4.3 μm, as well as three auxiliary photodetectors that detect radiation from optical interference in the visible (0.4-0.6 microns), near IR (0.7-1.0 microns) and ultraviolet spectral ranges.
Предложенный в патенте US 4206454 детектор включает два фотоприемника, регистрирующих излучение пламени в узких спектральных полосах, настроенных с помощью узкополосных оптических фильтров на разнесенные по спектру известные полосы максимального излучения углеводородного пламени вблизи 4.3 мкм и 2.7 мкм. Такой детектор позволяет обнаруживать углеводородное пламя при наличии фоновой помехи, связанной с солнечным и тепловым излучением. Сигнал тревоги формируется логической схемой при выполнении условия, что интенсивность зарегистрированного излучения в полосах вблизи 4.3 мкм и 2.7 мкм превышает соответствующие заранее установленные пороговые уровни, а интенсивность зарегистрированного излучения в полосе вблизи 4.3 мкм больше интенсивности зарегистрированного излучения в полосе вблизи 2.7 мкм.The detector proposed in US Pat. No. 4,206,454 includes two photodetectors detecting flame radiation in narrow spectral bands tuned with narrow-band optical filters to the known maximum spaced hydrocarbon flame emission bands near 4.3 μm and 2.7 μm. Such a detector makes it possible to detect a hydrocarbon flame in the presence of background noise associated with solar and thermal radiation. An alarm signal is generated by a logic circuit under the condition that the intensity of the detected radiation in the bands near 4.3 μm and 2.7 μm exceeds the corresponding predetermined threshold levels, and the intensity of the detected radiation in the band near 4.3 μm is greater than the intensity of the detected radiation in the band near 2.7 μm.
Наиболее близким к предложенному техническому решению являются способ и устройство обнаружения пламени и взрыва по патенту US 5612676. Известное устройство содержит один или два основных ИК фотоприемника, регистрирующих излучение пламени в разнесенных по спектру заранее определенных спектральных полосах вблизи 2.9 мкм (2.6-3.2 мкм) и/или 4.4 мкм (4.1-4.75 мкм), и два или три вспомогательных (фоновых) ИК фотоприемника, регистрирующих излучение от оптических помех в разнесенных по спектру заранее определенных спектральных полосах вблизи 2.2 мкм (2.0-2.3 мкм), 3.7 мкм (3.3-3.9 мкм) и 5.7 мкм (4.8-6.4 мкм). Способ заключается в том, что принимают сигналы от основных и вспомогательных ИК фотоприемников и в результате их совместной обработки выдают сигнал об обнаружении пламени.Closest to the proposed technical solution are the method and device for detecting flame and explosion according to the patent US 5612676. The known device contains one or two main IR photodetectors detecting the radiation of the flame in the spectrum of predetermined spectral bands near 2.9 μm (2.6-3.2 μm) and / or 4.4 μm (4.1-4.75 μm), and two or three auxiliary (background) IR photodetectors detecting radiation from optical noise in the spectrum of predefined spectral bands spaced apart near 2.2 μm (2.0-2.3 μm), 3.7 μm (3.3-3.9 μm) and 5.7 μm (4.8-6.4 μm). The method consists in the fact that they receive signals from the main and auxiliary IR photodetectors and, as a result of their joint processing, give a signal about the detection of a flame.
Известные способ и устройство имеют недостаточные обнаружительные возможности при наблюдении удаленных слабосветящихся выхлопных продуктов газодинамических систем из космоса из-за ограничений, обусловленных большим удалением наблюдателя от объекта, влиянием внешнего фона облачной атмосферы и подстилающей поверхности, а также влиянием внутреннего фона от деталей бортовой аппаратуры.The known method and device have insufficient detecting capabilities when observing remote faintly luminous exhaust products of gas-dynamic systems from space due to limitations due to the large distance of the observer from the object, the influence of the external background of the cloudy atmosphere and underlying surface, as well as the influence of the internal background from the details of the onboard equipment.
Техническим результатом предложенных способа и устройства является повышение эффективности обнаружения слабосветящихся выхлопных продуктов газодинамических систем в атмосфере.The technical result of the proposed method and device is to increase the detection efficiency of weakly luminous exhaust products of gas-dynamic systems in the atmosphere.
Указанный технический результат достигается тем, что способ обнаружения выхлопных продуктов газодинамических систем в атмосфере заключается в проведении наблюдения из космоса на фоне Земли заданной области атмосферы. При наблюдении принимают инфракрасное излучение из наблюдаемой области в одной или двух основных разнесенных по спектру заранее определенных спектральных полосах вблизи 2.9 мкм (2.6-3.2 мкм) и/или 4.4 мкм (4.1-4.75 мкм). В каждом канале разделяют входной поток инфракрасного излучения на квазимонохроматическое и полихроматическое излучение с помощью интерференционного оптического фильтра с субнанометровой полосой пропускания (ширина полосы 0.1-0.5 нм). При этом квазимонохроматическое излучение соответствует заданной спектральной линии или группе линий газообразных выхлопных продуктов. Каждый поток фокусируют на принимающей поверхности соответствующего многоэлементного охлаждаемого фотоприемника, с помощью которого формируют цифровые изображения наблюдаемой области атмосферы. После пространственно-временной фильтрации фона сравнивают уровни сигналов элементов изображений с пороговым значением и при превышении уровня сигнала порогового значения в одном или нескольких элементах хотя бы одного цифрового изображения принимают решение о наличии выхлопных продуктов в атмосфере в направлениях наблюдения, соответствующих этим элементам изображения.The specified technical result is achieved in that the method for detecting exhaust products of gas-dynamic systems in the atmosphere consists in observing from space against the background of the Earth a given region of the atmosphere. When observing, infrared radiation is received from the observed region in one or two main pre-determined spectral bands spaced in the spectrum near 2.9 μm (2.6-3.2 μm) and / or 4.4 μm (4.1-4.75 μm). In each channel, the input infrared radiation flux is divided into quasimonochromatic and polychromatic radiation using an optical interference filter with a subnanometer passband (bandwidth 0.1-0.5 nm). In this case, quasi-monochromatic radiation corresponds to a given spectral line or group of lines of gaseous exhaust products. Each stream is focused on the receiving surface of the corresponding multi-element cooled photodetector, with the help of which digital images are formed of the observed region of the atmosphere. After spatio-temporal background filtering, the signal levels of the image elements are compared with a threshold value, and when the signal level exceeds a threshold value in one or more elements of at least one digital image, a decision is made on the presence of exhaust products in the atmosphere in the observation directions corresponding to these image elements.
Можно осуществить дополнительную спектральную фильтрацию сфокусированных потоков излучения.It is possible to carry out additional spectral filtering of focused radiation fluxes.
Для определения состава выхлопных продуктов последовательно настраивают интерференционные оптические фильтры на заранее заданные спектральные линии.To determine the composition of the exhaust products, interference optical filters are sequentially tuned to predetermined spectral lines.
Технический результат достигается также тем, что устройство для обнаружения выхлопных продуктов газодинамических систем в атмосфере содержит расположенные на одной оптической оси телескоп, коллиматор, интерференционный оптический фильтр, расположенный под углом к оптической оси, полоса пропускания которого соответствует заданной спектральной линии или группе линий газообразных выхлопных продуктов, оптически связанные с ним фокусирующие линзы с соответствующими охлаждаемыми многоэлементными фотоприемниками, выходами соединенные с вычислительным устройством.The technical result is also achieved by the fact that the device for detecting exhaust products of gas-dynamic systems in the atmosphere contains a telescope, a collimator, an optical interference filter located at the same angle to the optical axis, the passband of which corresponds to a given spectral line or group of lines of gaseous exhaust products optically coupled focusing lenses with corresponding cooled multi-element photodetectors, outputs connected with a computing device.
Между фокусирующими линзами и фотоприемниками могут быть установлены дополнительные интерференционные оптические фильтры.Between the focusing lenses and the photodetectors, additional interference optical filters can be installed.
При этом интерференционный оптический фильтр и дополнительный интерференционный оптический фильтр для квазимонохроматического потока могут быть выполнены с перестраиваемой полосой пропускания.In this case, the interference optical filter and the additional interference optical filter for the quasi-monochromatic flow can be performed with a tunable passband.
Изобретение позволяет увеличить возможности обнаружения слабосветящихся выхлопных продуктов газодинамических систем в верхней атмосфере на высотах 30 км и более.The invention allows to increase the detection capabilities of faint exhaust products of gas-dynamic systems in the upper atmosphere at altitudes of 30 km or more.
Заявленные способ и устройство обнаружения выхлопных продуктов газодинамических систем при наблюдении из космоса поясняются чертежами.The claimed method and device for detecting exhaust products of gas-dynamic systems during observation from space are illustrated by drawings.
На фиг.1 приведена схема бортовой оптико-электронной аппаратуры (показан один спектральный канал).Figure 1 shows a diagram of an on-board optoelectronic equipment (one spectral channel is shown).
На фиг.2 приведены графики расчетных спектральных функций отражения и пропускания интерференционного оптического фильтра.Figure 2 shows graphs of the calculated spectral functions of reflection and transmission of an interference optical filter.
На фиг.3 приведены графики расчетной спектральной плотности излучения выхлопных продуктов твердотопливной газодинамической системы на высотах верхней атмосферы.Figure 3 shows graphs of the calculated spectral radiation density of the exhaust products of a solid propellant gas-dynamic system at heights of the upper atmosphere.
На фиг.4 приведены графики расчетной спектральной плотности фона облаков.Figure 4 shows graphs of the estimated spectral density of the background of the clouds.
Бортовая оптико-электронная аппаратура для одного спектрального канала (фиг.1) состоит из зеркально-линзового телескопа (например, Шмидта-Кассегрена) (элементы 1,2), коллиматора 3, интерференционного оптического фильтра (ИОФ) 4, установленного под углом к оптической оси прибора, фокусирующих линз 5 и 9, охлаждаемых многоэлементных фотоприемников 7, 11 с устройствами охлаждения 8, 12 и вычислительного устройства 13. В состав устройства может быть включен охлаждаемый интерференционный оптический фильтр 6 и охлаждаемый интерференционный оптический фильтр 10. Телескоп состоит из вогнутого фокусирующего зеркала 1 с центральным отверстием и входного элемента 2. Интерференционный оптический фильтр 4 настроен на длину волны заранее заданной спектральной линии или группы линий.On-board optoelectronic equipment for one spectral channel (Fig. 1) consists of a mirror-lens telescope (for example, Schmidt-Cassegrain) (
Между фокусирующими линзами 5 и 9 и соответствующими им фотоприемниками могут быть установлены интерференционные оптические фильтры 6 и 10. Интерференционный оптический фильтр 6, установленный в канале квазимонохроматического излучения, обеспечивает дополнительную спектральную фильтрацию внешнего и внутреннего фонов, при этом он настроен на ту же длину волны, что и фильтр 4. Фильтр 10, установленный в основном спектральном канале, обеспечивает спектральную фильтрацию внешнего и внутреннего фона за пределами своей полосы пропускания (2.6-3.2 или 4.1-4.75 мкм).Interference
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
На космический аппарат устанавливают бортовую оптико-электронную аппаратуру, принимающую инфракрасное излучение в одной или двух спектральных полосах вблизи 2.9 мкм и/или 4.4 мкм, чувствительных к излучению выхлопных продуктов газодинамических систем в атмосфере, и проводят наблюдения из космоса заданной области атмосферы на фоне Земли.On-board optical-electronic equipment is installed on the spacecraft, which receives infrared radiation in one or two spectral bands near 2.9 μm and / or 4.4 μm, which are sensitive to radiation of exhaust products of gas-dynamic systems in the atmosphere, and conduct observations from space of a given region of the atmosphere against the background of the Earth.
Инфракрасное излучение из наблюдаемой области атмосферы принимается телескопом бортовой аппаратуры. Пройдя через коллиматор, излучение попадает на интерференционный оптический фильтр 4, который разделяет входной поток излучения на два потока: квазимонохроматическое излучение, которое проходит через фильтр, и полихроматическое (широкополосное) излучение, которое отражается от плоскости фильтра. Интерференционный оптический фильтр 4 настроен на длину волны заранее заданной интенсивной спектральной линии или группы линий газообразных выхлопных продуктов в полосе 2.6-3.2 мкм (линии паров воды и углекислого газа) или 4.1-4.75 мкм (линии углекислого и угарного газов). Спектр фона облаков и подстилающей поверхности в этих полосах при наблюдении из космоса имеет обратную линейчатую структуру с глубокими и узкими провалами на длинах волн линий поглощения присутствующих в атмосфере водяного пара и углекислого газа. Длина волны настройки интерференционного оптического фильтра 4 задается таким образом, чтобы отношение интенсивности излучения выхлопных продуктов к интенсивности фона на выходе фильтра было максимальным.Infrared radiation from the observed region of the atmosphere is received by the telescope of the on-board equipment. After passing through the collimator, the radiation enters the optical interference filter 4, which divides the input radiation stream into two streams: quasi-monochromatic radiation that passes through the filter, and polychromatic (broadband) radiation, which is reflected from the filter plane. The interference optical filter 4 is tuned to a wavelength of a predetermined intense spectral line or group of lines of gaseous exhaust products in a band of 2.6-3.2 μm (line of water vapor and carbon dioxide) or 4.1-4.75 μm (line of carbon dioxide and carbon monoxide). The spectrum of the background of clouds and the underlying surface in these bands, when observed from space, has an inverse line structure with deep and narrow dips at the wavelengths of the absorption lines present in the atmosphere of water vapor and carbon dioxide. The wavelength of the tuning of the interference optical filter 4 is set so that the ratio of the radiation intensity of the exhaust products to the background intensity at the filter output is maximum.
Отраженное полихроматическое излучение фокусируется линзой 9 на приемную площадку многоэлементного фотоприемника 11.The reflected polychromatic radiation is focused by a
Аналогично прошедшее через фильтр 4 квазимонохроматическое излучение фокусируется линзой 5 на приемную площадку многоэлементного фотоприемника 7.Similarly, the quasimonochromatic radiation transmitted through the filter 4 is focused by the
Установленные между фокусирующими линзами 5 и 9 и соответствующими им фотоприемниками дополнительные интерференционные оптические фильтры 10 и 6 служат для устранения внешнего и внутреннего фона за пределами своих полос пропускания. ИОФ 6 настраивают так же как ИОФ 4.The additional interference
Многоэлементные фотоприемники 7 и 11 преобразуют оптические потоки в массивы электрических сигналов и формируют цифровые изображения наблюдаемой области атмосферы. Получаемые фотоприемниками 7 и 11 цифровые изображения наблюдаемой области атмосферы передаются в вычислительное устройство 13. Вычислительное устройство производит пространственно-временную фильтрацию полученных цифровых изображений с целью устранения мешающих фонов, осуществляет пороговую обработку, определяет те элементы изображений, в которых уровень сигналов превышает порог обнаружения. Если в одном или нескольких элементах хотя бы одного изображения уровень сигнала превышает порог срабатывания, то вычислительное устройство выдает сигнал, что в направлениях наблюдения, соответствующих этим элементам изображений, обнаружены выхлопные продукты газодинамических систем.
Интерференционные оптические фильтры 4 и 6 выполнены с перестраиваемой полосой пропускания. Для определения состава выхлопных продуктов вычислительное устройство выдает команды на согласованную перестройку по программе полос пропускания системы интерференционных оптических фильтров 4 и 6, которые последовательно настраиваются на заранее известные длины волн интенсивных спектральных линий, соответствующих различным газовым компонентам, выхлопных продуктов. Получаемые фотоприемником 7 цифровые изображения обрабатываются вычислительным устройством так же, как при обнаружении выхлопных продуктов. По соотношению интенсивностей излучений выхлопных продуктов в спектральных линиях, соответствующих различным газовым компонентам определяют состав выхлопных продуктов. После этого вычислительное устройство выдает команду об отмене режима последовательной перестройки полос пропускания системы интерференционных фильтров и о постоянной настройке ее на длину волны заранее заданной интенсивной спектральной линии или группы линий.Interference
На фиг.2 приведены графики расчетных спектральных функций отражения R (сплошная линия) и пропускания Т (пунктир) квазимонохроматическогоFigure 2 shows graphs of the calculated spectral reflection functions R (solid line) and transmission T (dashed line) of quasimonochromatic
интерференционного оптического фильтра с разрешающей способностью 
На фиг.3 приведены графики расчетной спектральной плотности излучения I (в Вт/см-1/стер) выхлопных продуктов твердотопливной газодинамической системы на высотах 40 км (фиг.3а) и 50 км (фиг.3б) в спектральной полосе волновых чисел 3680-3710 см-1. Расчет проведен на модели [2]. Спектр излучения выхлопных продуктов на высотах 30 км и более является преимущественно линейчатым, причем положение наиболее ярких спектральных линий не изменяется.Figure 3 shows graphs of the calculated spectral radiation density I (in W / cm -1 / sr) of exhaust products of a solid propellant gas-dynamic system at heights of 40 km (Fig.3a) and 50 km (Fig.3b) in the spectral band of wave numbers 3680- 3710 cm -1 . The calculation was carried out on the model [2]. The emission spectrum of exhaust products at altitudes of 30 km and more is mainly ruled, and the position of the brightest spectral lines does not change.
На фиг.4 приведены графики расчетной спектральной плотности фона облаков В (в дБ к Вт/м2/мкм/ср) с высотой верхней границы облаков 5 км (фиг.4а) и 10 км (фиг.4б) в спектральной полосе волновых чисел 3680-3710 см-1. Расчет проведен на модели [3] с модернизированным модулем пропускания атмосферы [4]. Спектр фона имеет обратную линейчатую структуру, в которой узкие и глубокие минимумы (15-30 дБ) обусловлены линиями поглощения молекулярных атмосферных составляющих, главным образом, водяного пара и углекислого газа.Figure 4 shows graphs of the estimated spectral density of the background of clouds B (in dB to W / m 2 / μm / sr) with the height of the upper boundary of the
При сравнении фиг.3 и фиг.4 видно, что линии спектра излучения выхлопных продуктов газодинамической системы находятся в областях минимальных значений спектра фона.When comparing FIG. 3 and FIG. 4, it is seen that the emission spectrum lines of the exhaust products of the gas-dynamic system are in the regions of the minimum background spectrum values.
Система интерференционных оптических фильтров настраивается на одну из ярких спектральных линий или группу линий газообразных выхлопных продуктов, например линию вблизи волнового числа ν=3688 см-1 или линию вблизи ν=3702 см-1 (см. фиг.3). Из фиг.4 видно, что эти спектральные линии находятся в областях минимальных значений спектра фона облаков, что обеспечивает получение максимальных значений отношений сигнал-шум в квазимонохроматическом спектральном канале.The system of optical interference filters is tuned to one of the bright spectral lines or a group of lines of gaseous exhaust products, for example, a line near the wave number ν = 3688 cm -1 or a line near ν = 3702 cm -1 (see figure 3). Figure 4 shows that these spectral lines are located in the regions of the minimum values of the spectrum of the background of the clouds, which ensures the maximum values of the signal-to-noise ratios in the quasimonochromatic spectral channel.
Эффективность способа подтверждается представленными в таблице 1 расчетами отношений сигнал-шум на выходах многоэлементных фотоприемников полихроматического и квазимонохроматического спектральных каналов при условии, что многоэлементный фотоприемник МФП 11 полихроматического спектрального канала работает в полосе волновых чисел 3500-3700 см-1, а многоэлементный фотоприемник МФП 7 квазимонохроматического спектрального канала - в узкой полосе шириной dν=0.3 см-1 вблизи волнового числа ν=3688 см-1. Расчет проведен для твердотопливной газодинамической системы на высоте 50 км и высоты верхней границы облачности 10 км по методике [5], дополненной учетом фактора нестационарности внешнего фона. При расчетах принимается, что глубокое охлаждение фотоприемника МФП 7 квазимонохроматического спектрального канала обеспечивает незначительность собственных (темновых) шумов фотоприемника, так что основными источниками шума являются внешний фон облаков, внутренний фон окружающих фотоприемник деталей космического аппарата, имеющих температуру примерно 300К, и выходные узлы считывания. Согласно [4] шум узлов считывания не зависит от спектральной полосы и его среднеквадратичное отклонение (СКО) не превышает 100 электронов (в современных многоэлементных фотоприемниках с зарядовой связью это СКО составляет 10-20 электронов).The effectiveness of the method is confirmed by the calculations of signal-to-noise ratios presented at the outputs of multi-element photodetectors of polychromatic and quasimonochromatic spectral channels presented in Table 1, provided that the multi-element photodetector MFP 11 of the polychromatic spectral channel operates in the band of 3500-3700 cm -1 wave numbers and the multi-element 7-photodetector spectral channel - in a narrow strip with a width of dν = 0.3 cm -1 near the wave number ν = 3688 cm -1 . The calculation was performed for a solid-fuel gas-dynamic system at an altitude of 50 km and an altitude of the upper cloud boundary of 10 km according to the procedure [5], supplemented by taking into account the unsteadiness factor of the external background. In the calculations, it is assumed that the deep cooling of the
Как видно из таблицы, при ширине полосы dν=0.3 см-1 отношение сигнал-шум в квазимонохроматическом спектральном канале составляет 37.4, что вполне достаточно для надежного обнаружения выхлопных продуктов газодинамических систем на высотах 30 км и более. В то же время отношение сигнал-шум в полихроматическом спектральном канале по расчетам для тех же условий составляет менее 2, что недостаточно для обнаружения.As can be seen from the table, with a bandwidth of dν = 0.3 cm -1 , the signal-to-noise ratio in the quasi-monochromatic spectral channel is 37.4, which is quite sufficient for reliable detection of exhaust products of gas-dynamic systems at altitudes of 30 km and more. At the same time, the signal-to-noise ratio in the polychromatic spectral channel, according to calculations for the same conditions, is less than 2, which is insufficient for detection.
Источники информации, принятые во вниманиеSources of information taken into account
1. Справочник по инфракрасной технике, под ред. Вольф У. и Цисис Г., т.4, М., изд. «Мир», 1999 г.1. Handbook of infrared technology, ed. Wolf W. and Cesis G., vol. 4, M., ed. Mir, 1999
2. Лагуткин В.Н., Слынько Ю.В. Метод расчета спектральных яркостей потока смеси газа и частиц // Труды XLX научной конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук", Ч.1. М.: МФТИ, 2007, С.119-121.2. Lagutkin V.N., Slynko Yu.V. A method for calculating the spectral brightness of a gas-particle mixture stream // Proceedings of the XLX MIPT Scientific Conference "Contemporary Problems of Fundamental and Applied Sciences",
3. Лагуткин В.Н., Лукьянов А.П., Подкорытов Е.Н., Репин В.Г. Трехмерная динамическая модель полей яркости фона, использующая расчетные индикатрисы многократного рассеяния излучения в облаках и изображения, полученные метеорологическими спутниками. Вопросы радиоэлектроники, серия Радиолокационная техника, 2004 г., выпуск 1, стр.101-117.3. Lagutkin VN, Lukyanov AP, Podkorytov EN, Repin VG Three-dimensional dynamic model of background brightness fields using calculated indicatrixes of multiple radiation scattering in clouds and images obtained by meteorological satellites. Questions of Radio Electronics, a series of Radar Technology, 2004,
4. Слынько Ю.В. Модель расчета переноса излучения на основе открытой базы данных HITRAN // Вопросы радиоэлектроники, сер. РТЛ, 2007, вып. 4. С.5-11. М.: ЦНИИ Электроника.4. Slynko Yu.V. A model for calculating radiation transfer based on the open HITRAN database // Questions of Radio Electronics, ser. RTL, 2007, no. 4. C.5-11. M.: Central Research Institute of Electronics.
5. Арутюнов В.А., Иванов В.Г., Каменев А.А., Прокофьев А.Е. Методика оценки потенциальных характеристик обнаружения малоразмерных аэрокосмических целей многоспектральной аппаратурой на матричных фотоприемниках. Вопросы радиоэлектроники, серия Техника телевидения, 2006 г., выпуск 2, стр.47-69.5. Arutyunov V.A., Ivanov V.G., Kamenev A.A., Prokofiev A.E. Methodology for assessing the potential characteristics of the detection of small-sized aerospace targets with multispectral equipment on matrix photodetectors. Questions of Radio Electronics, a series of Technics of Television, 2006,
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008147507/08A RU2405207C2 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | Method of detecting exhaust products of gas-dynamic systems in atmosphere |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008147507/08A RU2405207C2 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | Method of detecting exhaust products of gas-dynamic systems in atmosphere |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008147507A RU2008147507A (en) | 2010-06-10 |
| RU2405207C2 true RU2405207C2 (en) | 2010-11-27 |
Family
ID=42681188
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008147507/08A RU2405207C2 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | Method of detecting exhaust products of gas-dynamic systems in atmosphere |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2405207C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2649056C2 (en) * | 2016-06-02 | 2018-03-29 | Михаил Алексеевич Горбунов | Method of creating a microphone based on selective absorption of infrared radiation by carbon dioxide in atmospheric air |
-
2008
- 2008-12-03 RU RU2008147507/08A patent/RU2405207C2/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2649056C2 (en) * | 2016-06-02 | 2018-03-29 | Михаил Алексеевич Горбунов | Method of creating a microphone based on selective absorption of infrared radiation by carbon dioxide in atmospheric air |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008147507A (en) | 2010-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rogalski et al. | Infrared devices and techniques | |
| Rogalski et al. | Infrared devices and techniques (revision) | |
| US20190035290A1 (en) | Multispectral enhanced vision system and method for aircraft landing in inclement weather conditions | |
| US8124931B2 (en) | Method and apparatus for oil spill detection | |
| US7855367B2 (en) | Remote sensing of gas leaks | |
| CN106123915B (en) | A kind of pneumatic degraded image recovery system based on direct point spread function | |
| US9924138B1 (en) | Combined air-turbulence, ice, volcanic-ash aerosols, passive LWIR optical systems for cruising-airplane safety | |
| US11125623B2 (en) | Satellite onboard imaging systems and methods for space applications | |
| RU2405207C2 (en) | Method of detecting exhaust products of gas-dynamic systems in atmosphere | |
| US11650322B2 (en) | Method and device for detecting incident laser radiation on a spacecraft | |
| RU82359U1 (en) | DEVICE FOR DETECTING EXHAUST PRODUCTS OF GAS-DYNAMIC SYSTEMS IN THE ATMOSPHERE | |
| Rodionov et al. | Airborne hyperspectral systems for solving remote sensing problems | |
| Smith et al. | Calibration of the visible/near-infrared channels of the Along-Track Scanning Radiometer-2 (ATSR-2) | |
| US10578514B2 (en) | Remote sensing of natural gas leaks | |
| US20150358588A1 (en) | Optimizing detection of known light sources | |
| US20230345131A1 (en) | System and method for telescopic imaging of dim objects near bright objects | |
| US11618594B2 (en) | System and method for daylight imaging of high altitude objects | |
| US9712762B2 (en) | Method of imaging a target in a night sky | |
| Klein | Thermal imaging performance of passive infrared scanners | |
| EP1564544A1 (en) | Remote sensing of gas leaks using gas filter correlation radiometry | |
| Vedeshin et al. | Airborne hyperspectral systems for solving remote sensing problems. | |
| Pisarev et al. | Ultraviolet filter for sun-blind photodetector modules used in the development of aircraft direction-finding systems for threat-bearing determination | |
| Rocadenbosch Burillo | Detector-Sensor Link Budget (I). Prob. 1-3 | |
| Theriault et al. | Passive standoff detection of BG aerosol: method and field trial results | |
| Kumer et al. | Sublimb CO2 4200 nm measurements of small-scale internal gravity wave (GW) sources and their propagation and effects on the OH airglow |