RU82359U1 - DEVICE FOR DETECTING EXHAUST PRODUCTS OF GAS-DYNAMIC SYSTEMS IN THE ATMOSPHERE - Google Patents
DEVICE FOR DETECTING EXHAUST PRODUCTS OF GAS-DYNAMIC SYSTEMS IN THE ATMOSPHERE Download PDFInfo
- Publication number
- RU82359U1 RU82359U1 RU2008147509/22U RU2008147509U RU82359U1 RU 82359 U1 RU82359 U1 RU 82359U1 RU 2008147509/22 U RU2008147509/22 U RU 2008147509/22U RU 2008147509 U RU2008147509 U RU 2008147509U RU 82359 U1 RU82359 U1 RU 82359U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical filter
- interference optical
- passband
- atmosphere
- exhaust products
- Prior art date
Links
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
1. Устройство для обнаружения выхлопных продуктов газодинамических систем в атмосфере, содержащее расположенные на одной оптической оси телескоп, коллиматор, входной интерференционный оптический фильтр, интерференционный оптический фильтр, расположенный под углом к оптической оси, полоса пропускания которого соответствует заданной спектральной линии или группе линий выхлопных продуктов газодинамических систем, оптически связанные с ним фокусирующие линзы с соответствующими охлаждаемыми многоэлементными фотоприемниками, выходами соединенными с вычислительным устройством, выполненным с возможностью реализации функции пространственно-временной фильтрации фона, сравнения уровня сигналов элементов цифровых изображений с пороговым значением и формирования сигнала о наличии выхлопных продуктов в атмосфере в направлениях наблюдения соответствующих элементам изображений, в которых уровень сигнала превышает пороговое значение. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в квазимонохроматическом канале между фокусирующей линзой и фотоприемником установлен дополнительный интерференционный оптический фильтр, согласованный по полосе пропускания с интерференционным оптическим фильтром. ! 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что интерференционный оптический фильтр и дополнительный интерференционный оптический фильтр для квазимонохроматического потока выполнены с перестраиваемой полосой пропускания.1. A device for detecting exhaust products of gas-dynamic systems in the atmosphere, comprising a telescope located on the same optical axis, a collimator, an input interference optical filter, an interference optical filter located at an angle to the optical axis, the passband of which corresponds to a given spectral line or group of exhaust product lines gas-dynamic systems, optically associated focusing lenses with corresponding cooled multi-element photodetectors, outputs connected to a computing device configured to implement the function of spatio-temporal filtering of the background, comparing the signal level of digital image elements with a threshold value and generating a signal about the presence of exhaust products in the atmosphere in the observation directions corresponding to image elements in which the signal level exceeds the threshold value. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that in the quasi-monochromatic channel between the focusing lens and the photodetector, an additional interference optical filter is installed, which is matched by the passband with the interference optical filter. ! 3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that the interference optical filter and an additional interference optical filter for the quasi-monochromatic flow are made with a tunable passband.
Description
Полезная модель относится к системам мониторинга окружающей среды, в частности, к системам обнаружения и оповещения об опасных явлениях, и может быть использована в космических инфракрасных датчиках обнаружения выхлопных продуктов в атмосфере.The utility model relates to environmental monitoring systems, in particular, to hazard detection and warning systems, and can be used in space infrared sensors for detecting exhaust products in the atmosphere.
Известно система обнаружения различных объектов, когда ИК система обнаружения на одном спутнике принимает сигнал от другого 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 2-15°К.There is a known system for detecting various objects when an infrared detection system on one satellite receives a signal from another body in space, for example, 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 separated from one another, each of which is recorded by a separate multi-element receiver with its own spectral filter, and the filter and receiver are cooled to 2-15 ° K.
К недостаткам этой системы следует отнести необходимость проводить наблюдения на низком фоновом уровне космического пространства, а также необходимость охлаждения приемной оптической системы до достаточно низкой температуры (20-70°К).The disadvantages of this system 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 (20-70 ° K).
Известно устройство 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. Положительным моментом является то, что 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 device for 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 positive point is that the aircraft has been in the field of view of the detection system for a long time (about an hour), which allows the accumulation of a useful signal along the aircraft path. 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 устройства обнаружения пламени и взрыва, использующие измерения инфракрасного излучения пламени и взрыва в двух и более спектральных диапазонах: отечественный патент RU2296370, патенты US6064064, US6518574, US4206454, US5612676. Общим для указанных детекторов является то, что в них используются Known flame and explosion detection devices using infrared flame and explosion measurements in two or more spectral ranges: domestic patent RU2296370, patents US6064064, US6518574, US4206454, US5612676. Common to these detectors is that they use
несколько (два и более) фотоприемников с оптическими фильтрами, настроенными на излучение пламени или на излучение фоновых помех.several (two or more) photodetectors with optical filters tuned to emit flame or to emit background noise.
В инфракрасном много диапазонном детекторе пламени и взрыва (патент RU2296370) 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 multi-band flame and explosion detector (patent RU2296370), the functions of the optical measurement channels and the comparison logic are performed by a single infrared, semiconductor, multi-range, 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 US6064064 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 US6064064 contains three photodetectors: one main photodetector operating in the range of 1.1-3.8 μm and responsive to flame radiation, and two auxiliary photodetectors recording radiation from optical noise in the spectral ranges of 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 US4206454 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 интенсивности 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 US4206454 includes two photodetectors detecting flame radiation in narrow spectral bands tuned by 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.
Система обнаружения пламени и взрыва, предложенная в патенте US5612676, содержит один или два основных ИК фотоприемника, регистрирующих излучение пламени в разнесенных по спектру заранее определенных спектральных полосах вблизи The flame and explosion detection system proposed in US Pat. No. 5,612,676 contains one or two main infrared photodetectors detecting flame radiation in a spectrum of predetermined spectral bands near
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). Устройство обработки сигналов принимает сигналы от основных и вспомогательных ИК фотоприемников и в результате их совместной обработки выдает сигнал об обнаружении пламени.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 predetermined spectral bands 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 signal processing device receives signals from the main and auxiliary IR photodetectors and, as a result of their joint processing, gives a signal about flame detection.
Это техническое решение является наиболее близким по техническому существу аналогом, т.е. прототипом, предлагаемого устройства обнаружения выхлопных продуктов газодинамических систем.This technical solution is the closest in technical essence analogue, i.e. the prototype of the proposed device for detecting exhaust products of gas-dynamic systems.
Устройство-прототип имеет 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 prototype device has 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 полезной модели является повышение эффективности обнаружения слабосветящихся выхлопных продуктов газодинамических систем в атмосфере.The technical result of the utility model is to increase the detection efficiency of weakly luminous exhaust products of gas-dynamic systems in the atmosphere.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для обнаружения выхлопных продуктов газодинамических систем в атмосфере содержит расположенные на одной оптической оси телескоп, коллиматор, входной интерференционный оптический фильтр, интерференционный оптический фильтр, расположенный под углом к оптической оси, полоса пропускания которого соответствует заданной спектральной линии или группе линий выхлопных продуктов. С интерференционным оптическим фильтром оптически связаны фокусирующие линзы с соответствующими охлаждаемыми многоэлементными фотоприемниками, выходами соединенными с вычислительным устройством. Вычислительное устройство выполнено с возможностью реализации функции пространственно-временной фильтрации фона, сравнения уровня сигналов элементов цифровых изображений с пороговым значением и формирования сигнала о наличии выхлопных продуктов в атмосфере в направлениях наблюдения, соответствующих элементам изображений, в которых уровень сигнала превышает пороговое значение.The specified technical result is achieved in that the device for detecting exhaust products of gas-dynamic systems in the atmosphere contains a telescope located on the same optical axis, a collimator, an input interference optical filter, an interference optical filter located at an angle to the optical axis, the passband of which corresponds to a given spectral line or group of exhaust product lines. Focusing lenses are optically coupled to the interference optical filter with corresponding cooled multi-element photodetectors, outputs connected to a computing device. The computing device is capable of realizing the function of spatio-temporal filtering of the background, comparing the signal level of digital image elements with a threshold value and generating a signal about the presence of exhaust products in the atmosphere in the observation directions corresponding to image elements in which the signal level exceeds the threshold value.
В квазимонохроматическом канале между фокусирующей линзой и фотоприемником может быть установлен дополнительный интерференционный оптический фильтр, согласованный по полосе пропускания с интерференционным оптическим фильтром. In the quasi-monochromatic channel between the focusing lens and the photodetector, an additional interference optical filter can be installed, which is matched by the passband with the interference optical filter.
Интерференционный оптический фильтр и дополнительный интерференционный оптический фильтр для квазимонохроматического потока выполнены с перестраиваемой полосой пропускания.An interference optical filter and an additional interference optical filter for a quasi-monochromatic flow are made with a tunable passband.
Заявленное устройство для обнаружения выхлопных продуктов газодинамических систем при наблюдении из космоса поясняется чертежами.The claimed device for detecting exhaust products of gas-dynamic systems when observed from space is 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 clouds.
Бортовая оптико-электронная аппаратура для одного спектрального канала (фиг.1) состоит из зеркально-линзового телескопа (например, Шмидта-Кассегрена) (элементы 1,2), коллиматора 3, входного охлаждаемого интерференционного оптического фильтра (ИОФ) 10, интерференционного оптического фильтра 4 с субнанометровой полосой пропускания (ширина полосы 0.1-0.5 нм), установленного под углом к оптической оси прибора, фокусирующих линз 5 и 9, охлаждаемых многоэлементных фотоприемников (МФП) 7 и 11 с устройствами охлаждения 8, 12 и вычислительного устройства (ВУ) 13. Телескоп состоит из вогнутого фокусирующего зеркала 1 с центральным отверстием и входного элемента 2. Оптический фильтр 10 обеспечивает спектральную фильтрацию внешнего и внутреннего фона за пределами своей полосы пропускания (2.6-3.2 мкм или 4.1-4.75 мкм). Интерференционный оптический фильтр 4 настроен на длину волны заранее заданной спектральной линии или группы линий. В канале квазимонохроматического излучения между фокусирующей линзой 5 и фотоприемником 7 может быть установлен дополнительный охлаждаемый интерференционный оптический фильтр 6, который обеспечивает дополнительную спектральную фильтрацию внешнего и внутреннего фона, при этом он настроен на ту же длину волны, что и фильтр 4.On-board optoelectronic equipment for one spectral channel (Fig. 1) consists of a mirror-lens telescope (e.g. Schmidt-Cassegrain) (elements 1,2), a collimator 3, an input cooled interference optical filter (IOF) 10, an interference optical filter 4 with a subnanometer passband (bandwidth 0.1-0.5 nm), mounted at an angle to the optical axis of the device, focusing lenses 5 and 9, cooled multi-element photodetectors (MFPs) 7 and 11 with cooling devices 8, 12 and a computing device (WU) 13. The telescope consists of a concave focusing mirror 1 with a central hole and an input element 2. The optical filter 10 provides spectral filtering of the external and internal background outside its passband (2.6-3.2 μm or 4.1-4.75 μm). The interference optical filter 4 is tuned to a wavelength of a predetermined spectral line or group of lines. In the channel of quasi-monochromatic radiation between the focusing lens 5 and the photodetector 7, an additional cooled interference optical filter 6 can be installed, which provides additional spectral filtering of the external and internal background, while it is tuned to the same wavelength as filter 4.
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 и входной оптический фильтр 10, 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 ИОФ 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 and the input optical filter 10, the radiation enters the interference optical filter 4, which divides the input radiation stream into two streams: quasimonochromatic 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 IOF 4 tuning wavelength 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 от ИОФ 4 полихроматическое излучение фокусируется линзой 9, на приемную площадку многоэлементного фотоприемника 11.The polychromatic radiation reflected from IOF 4 is focused by a lens 9 onto the receiving area of a multi-element photodetector 11.
Аналогично прошедшее через ИОФ 4 квазимонохроматическое излучение фокусируется линзой 5, на приемную площадку многоэлементного фотоприемника 7.Similarly, quasi-monochromatic radiation transmitted through IOF 4 is focused by lens 5 to the receiving area of the multi-element photodetector 7.
Установленный между фокусирующей линзой 5 и многоэлементным фотоприемником 7 дополнительный ИОФ 6 служит для устранения внешнего и внутреннего фона за пределами своей полосы пропускания. ИОФ 6 настраивают так же как ИОФ 4.Installed between the focusing lens 5 and the multi-element photodetector 7, an additional IOF 6 serves to eliminate the external and internal background outside its passband. IOF 6 is configured in the same way as IOF 4.
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.Multi-element photodetectors 7 and 11 convert optical streams into arrays of electrical signals and form digital images of the observed region of the atmosphere. Digital images received by photodetectors 7 and 11 are transmitted to the computing device 13. The computing device performs spatio-temporal filtering of the obtained digital images in order to eliminate interfering backgrounds, performs threshold processing, determines those image elements in which the signal level exceeds the detection threshold. If in one or several elements of at least one image the signal level exceeds the threshold, then the computing device generates a signal that exhaust products of gas-dynamic systems are detected in the observation directions corresponding to these image elements.
Для определения состава выхлопных продуктов вычислительное устройство выдает команды на согласованную перестройку по программе полос пропускания To determine the composition of exhaust products, the computing device issues commands for coordinated tuning according to the program of bandwidths
интерференционных оптических фильтров ИОФ 4 и ИОФ 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 вычислительное устройство определяет состав выхлопных продуктов. После этого вычислительное устройство выдает команду об отмене режима последовательной перестройки полос пропускания системы квазимонохроматических интерференционных фильтров и о постоянной настройке ее на длину волны заранее заданной интенсивной спектральной линии или группы линий.interference optical filters IOF 4 and IOF 6, which are sequentially tuned to previously known wavelengths of intense spectral lines corresponding to various gas components of the exhaust products. The digital images received by the photodetector 7 are processed by the computing device in the same way as when detecting exhaust products. By the ratio of the intensities of the emissions of the exhaust products in the spectral lines corresponding to various gas components, the computing device determines the composition of the exhaust products. After that, the computing device issues a command to cancel the sequential tuning of the passbands of the system of quasi-monochromatic interference filters and to constantly tune it to the wavelength of a predetermined intense spectral line or group of lines.
На фиг.2 приведены графики расчетных спектральных функций отражения R (сплошная линия) и пропускания Т (пунктир) квазимонохроматического интерференционного оптического фильтра с разрешающей способностью где ν0 - волновое число (ν0≈3688 см-1), на которое настроен фильтр (ν=1/λ, λ - длина волны), dν эффективная полоса пропускания фильтра ν0=3688 см-1. В настоящее время на практике достигнуты уровни разрешающей способности интерференционных фильтров 4·105-7·107 [1]. Интерференционные фильтры высокого разрешения в силу очень узкой полосы пропускания практически не изменяют спектральную плотность и интегральную интенсивность широкополосного излучения при отражении. Вместе с тем пропущенное излучение имеет очень узкую полосу dν≈0.1-0.5 см-1, что обеспечивает выделение из спектра падающего потока квазимонохроматического излучения одной из ярких линий (или группы линий) газообразных выхлопных продуктов.Figure 2 shows graphs of the calculated spectral reflection functions R (solid line) and transmission T (dashed line) of a quasi-monochromatic interference optical filter with a resolution where ν 0 is the wave number (ν 0 ≈3688 cm -1 ), to which the filter is configured (ν = 1 / λ, λ is the wavelength), dν is the effective filter passband ν 0 = 3688 cm -1 . Currently, in practice, the resolution levels of interference filters 4 · 10 5 -7 · 10 7 have been achieved [1]. High-resolution interference filters, due to their very narrow passband, practically do not change the spectral density and integrated intensity of broadband radiation during reflection. At the same time, the transmitted radiation has a very narrow band dν≈0.1-0.5 cm -1 , which ensures that one of the bright lines (or group of lines) of gaseous exhaust products is extracted from the spectrum of the incident flux of quasi-monochromatic radiation.
На фиг.3 приведены графики расчетной спектральной плотности излучения I (в BT/cм-1/стep) 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 BT / cm -1 / ste) of the 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 Figure 4 shows graphs of the calculated 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 clouds 5 km (Fig.4a) and 10 km (Fig.4b) in the spectral band of wave numbers 3680-3710 cm -1 . The calculation was performed on the model [3] with the modernized atmospheric transmission module [4]. The background spectrum has an inverse line structure in which narrow and deep minima (15-30 dB) are due to
линиями поглощения молекулярных атмосферных составляющих, главным образом, водяного пара и углекислого газа.absorption lines of molecular atmospheric components, mainly water vapor and carbon dioxide.
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 узкополосном 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 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 narrow-band spectral channel.
Эффективность устройства подтверждается представленными в таблице 1 расчетами отношений сигнал-шум на выходах фотоприемников полихроматического (МФП 11) и квазимонохроматического (МФП 7) спектральных каналов при условии, что первый фотоприемник работает в полосе волновых чисел 3500-3700 см-1, а второй - 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 ИСЗ, имеющих температуру примерно 300° К, 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 device is confirmed by the calculations of the signal-to-noise ratios presented at the outputs of the polychromatic (MFP 11) and quasimonochromatic (MFP 7) spectral channels presented in Table 1, provided that the first photodetector operates in the band of wave numbers 3500-3700 cm -1 , and the second in a narrow strip of width dν = 0.3 cm -1 near the wave number ν = 3688 cm -1 . The calculation was carried out for a solid-fuel gas-dynamic system at an altitude of 50 km and a height 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 MFP 7 photodetector of the quasimonochromatic spectral channel provides insignificance of the intrinsic (dark) noise of the photodetector, so that the main noise sources are the external background of the clouds, the internal background of the satellite components surrounding the photodetector having a temperature of about 300 ° K, and the output reading nodes . According to [4], the noise of the readout nodes does not depend on the spectral band and its standard deviation (RMS) does not exceed 100 electrons (in modern multi-element charge-coupled photodetectors, this RMS is 10–20 electrons).
Как видно из таблицы, при ширине полосы dν=0.3 см-1 отношение сигнал-шум в узкополосном 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 широкополосном 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 narrow-band 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 broadband spectral channel according to calculations for the same conditions is less than 2, which is insufficient for detection.
Источники информации, принятые во внимание:Sources 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 luminosities of a gas-particle mixture stream // Proceedings of the XLX MIPT Scientific Conference "Contemporary Problems of Fundamental and Applied Sciences", Part 1. M .: MIPT, 2007, P.119-121.
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, Issue 1, pp. 101-117.
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, issue 4. S.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, Issue 2, pp. 47-69.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008147509/22U RU82359U1 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | DEVICE FOR DETECTING EXHAUST PRODUCTS OF GAS-DYNAMIC SYSTEMS IN THE ATMOSPHERE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008147509/22U RU82359U1 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | DEVICE FOR DETECTING EXHAUST PRODUCTS OF GAS-DYNAMIC SYSTEMS IN THE ATMOSPHERE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU82359U1 true RU82359U1 (en) | 2009-04-20 |
Family
ID=41018335
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008147509/22U RU82359U1 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | DEVICE FOR DETECTING EXHAUST PRODUCTS OF GAS-DYNAMIC SYSTEMS IN THE ATMOSPHERE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU82359U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD298Z (en) * | 2010-03-03 | 2011-07-31 | Институт Прикладной Физики Академии Наук Молдовы | Fiber-optic intrusion alarm system |
-
2008
- 2008-12-03 RU RU2008147509/22U patent/RU82359U1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD298Z (en) * | 2010-03-03 | 2011-07-31 | Институт Прикладной Физики Академии Наук Молдовы | Fiber-optic intrusion alarm system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rogalski et al. | Infrared devices and techniques | |
| Jia et al. | Status and application of advanced airborne hyperspectral imaging technology: A review | |
| Lloyd | Thermal imaging systems | |
| US7855367B2 (en) | Remote sensing of gas leaks | |
| US8124931B2 (en) | Method and apparatus for oil spill detection | |
| 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 | |
| Hannawald et al. | A fast SWIR imager for observations of transient features in OH airglow | |
| US11614367B2 (en) | Characterizing tropospheric boundary layer thermodynamic and refractivity profiles utilizing selected waveband infrared observations | |
| CN112683796A (en) | Differential absorption spectrometer optical system based on geosynchronous orbit observation | |
| Amin et al. | Optical algorithm for cloud shadow detection over water | |
| RU82359U1 (en) | DEVICE FOR DETECTING EXHAUST PRODUCTS OF GAS-DYNAMIC SYSTEMS IN THE ATMOSPHERE | |
| US11650322B2 (en) | Method and device for detecting incident laser radiation on a spacecraft | |
| RU2405207C2 (en) | Method of detecting exhaust products of gas-dynamic systems in atmosphere | |
| Rodionov et al. | Airborne hyperspectral systems for solving remote sensing problems | |
| US20200225111A1 (en) | Remote sensing of natural gas leaks | |
| Smith et al. | Calibration of the visible/near-infrared channels of the Along-Track Scanning Radiometer-2 (ATSR-2) | |
| US10021353B2 (en) | Optimizing detection of known light sources | |
| EP1564544B1 (en) | Remote sensing of gas leaks using gas filter correlation radiometry | |
| Klein | Thermal imaging performance of passive infrared scanners | |
| Vedeshin et al. | Airborne hyperspectral systems for solving remote sensing problems. | |
| Picard et al. | Nonequilibrium radiative transfer in structured atmospheres | |
| US9712762B2 (en) | Method of imaging a target in a night sky | |
| Kielkopf et al. | AFRL/RV | |
| Hagolle | The physics of optical remote sensing |