RU1841313C

RU1841313C - Method for measuring infrared radiation

Info

Publication number: RU1841313C
Application number: SU0001581166A
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Скоков; Игорь Васильевич Козеренко; Виктор Васильевич Сычёв; Виктор Александрович Свириденко
Filing date: 1974-09-20
Publication date: 2022-07-20

Abstract

FIELD: methods for measuring infrared radiation.

SUBSTANCE: invention is used to measure the infrared radiation of ballistic objects. The substance of the invention lies in the fact that the measurement of infrared radiation of ballistic objects is based on a change in the bandwidth of the measuring system path, while the bandwidth is changed simultaneously and continuously with the speed of viewing space, proportional to the radiation level.

EFFECT: providing the ability to adjust the frequency band and the speed of viewing space in such a way that at low levels of radiant energy measurements are carried out with maximum sensitivity, and at high levels of radiant energy - with sensitivity that provides a sufficient measurement frequency and optimal signal level.

1 cl, 1 dwg

Description

Данное изобретение относится к области регистрации и измерений оптических характеристик объектов, излучающих энергию вследствие нагревания их поверхности при прохождении плотных слоев атмосферы с высокими скоростями, и может быть внедрено на предприятиях, разрабатывающих оптическую аппаратуру для регистрации и измерений при летных испытаниях указанных выше объектов.This invention relates to the field of recording and measuring the optical characteristics of objects that emit energy due to heating of their surface when passing through dense layers of the atmosphere at high speeds, and can be implemented at enterprises developing optical equipment for recording and measuring during flight tests of the above objects.

Известные способы регистрации и измерений оптического излучения при проведении летных испытаний объектов, перемещающихся со скоростями 10000÷1000 м/сек в плотных слоях атмосферы, не позволяют проводить регистрацию и измерение на высотах 70÷80 км ввиду недостаточной чувствительности приемного тракта оптического прибора при фиксированной полосе, в то время как на высотах 20÷30 км уровень излучения возрастает настолько, что нередко превышает динамический диапазон регистрации и измерений и приводит к недопустимым искажениям результатов.Known methods for recording and measuring optical radiation during flight tests of objects moving at speeds of 10000÷1000 m/s in dense layers of the atmosphere do not allow registration and measurement at altitudes of 70÷80 km due to insufficient sensitivity of the receiving path of the optical device at a fixed bandwidth, while at altitudes of 20–30 km the radiation level increases so much that it often exceeds the dynamic range of registration and measurements and leads to unacceptable distortions of the results.

В настоящее время применяется способ измерения, основанный на том, что с помощью оптической системы формируют изображение исследуемого объекта на приемнике лучистой энергии, который преобразует световой поток в электрический сигнал. Затем этот сигнал усиливают в усилительном тракте с фиксированной полосой усиливаемых частот и обрабатывают далее в зависимости от назначения измерений.Currently, a measurement method is used, based on the fact that with the help of an optical system an image of the object under study is formed on a radiant energy receiver, which converts the luminous flux into an electrical signal. Then this signal is amplified in an amplifying path with a fixed band of amplified frequencies and further processed depending on the purpose of the measurements.

Такой способ обработки оптических сигналов оправдывает себя при постоянных уровнях излучения от исследуемых объектов. Однако при движении баллистических объектов по нисходящей ветви траектории вследствие трения обшивки о воздух происходит постепенное нагревание корпуса. На высотах порядка 70÷100 км скорость такого нагревания относительно невелика. Ниже происходит плавное нарастание скорости нагревания приблизительно до высот 25÷30 км, после чего температура поверхности стабилизируется. Естественно, что такое нагревание связано с увеличением интенсивности оптического излучения. Практика показывает, что перепад силы излучения при таких измерениях достигает двух-четырех порядков, причем нижняя граница определяется пороговой чувствительностью приемного устройства.This method of processing optical signals justifies itself at constant levels of radiation from the objects under study. However, when ballistic objects move along the descending branch of the trajectory, due to the friction of the skin against the air, the body gradually heats up. At altitudes of the order of 70–100 km, the rate of such heating is relatively low. Below, there is a gradual increase in the heating rate up to approximately 25–30 km, after which the surface temperature stabilizes. Naturally, such heating is associated with an increase in the intensity of optical radiation. Practice shows that the difference in the radiation strength during such measurements reaches two to four orders of magnitude, with the lower limit being determined by the threshold sensitivity of the receiving device.

Из изложенного видно, что оптимальным режимом работы измерительного устройства при малых интенсивностях излучения от объекта измерения является малая частота замеров, что позволит ощутимо улучшить чувствительность измерительного устройства без потери качества измерений.From the foregoing, it can be seen that the optimal mode of operation of the measuring device at low radiation intensities from the measurement object is a low measurement frequency, which will significantly improve the sensitivity of the measuring device without loss of measurement quality.

При больших уровнях интенсивности излучения для сохранения качества измерений необходима относительно большая частота замеров, что снижает чувствительность инструмента.At high levels of radiation intensity, to maintain the quality of measurements, a relatively large frequency of measurements is required, which reduces the sensitivity of the instrument.

Однако такое снижение чувствительности является здесь положительным фактором, так как снижает динамический диапазон сигнала в измерительном тракте в целом, что позволяет повысить точность измерений.However, such a decrease in sensitivity is a positive factor here, since it reduces the dynamic range of the signal in the measuring path as a whole, which makes it possible to increase the accuracy of measurements.

Недостаток измерений известным способом заключается в том, что получение оптической информации ведется с постоянной, фиксированной частотой замеров, закладываемой в реальную конструкцию на основе компромиссного решения между требованиями по обеспечению чувствительности и частотой замеров.The disadvantage of measurements in a known way is that the acquisition of optical information is carried out with a constant, fixed frequency of measurements, laid down in a real design based on a compromise between the requirements for providing sensitivity and the frequency of measurements.

Это приводит к целому ряду недостатков по сравнению с оптимальным режимом работы:This leads to a number of disadvantages compared to the optimal mode of operation:

- на начальном участке полностью теряется информация вследствие заниженной чувствительности;- in the initial section, information is completely lost due to underestimated sensitivity;

- на конечном участке измерений качество информации неудовлетворительно за счет малой частоты замеров;- in the final section of measurements, the quality of information is unsatisfactory due to the low frequency of measurements;

- велик динамический диапазон сигнала, что обуславливает относительно большие ошибки измерений.- the dynamic range of the signal is large, which causes relatively large measurement errors.

Таким образом, целью данного изобретения является повышения информативности и точности при регистрации и измерении параметров излучения от объектов при их полете на атмосферном участке траектории, что достигается оптимальным режимом получения информации.Thus, the purpose of this invention is to increase the information content and accuracy when registering and measuring the parameters of radiation from objects during their flight in the atmospheric part of the trajectory, which is achieved by the optimal mode of obtaining information.

Данный режим реализуется введением в процесс обработки информации этапа анализа уровня измеряемого сигнала и этапа регулирования частотной полосы усиления и скорости обзора пространства по результатам этого анализа.This mode is implemented by introducing into the information processing the stage of analyzing the level of the measured signal and the stage of adjusting the gain frequency band and the space survey speed based on the results of this analysis.

Для иллюстрации преимуществ рассмотрим следующий пример. Предположим, что имеется два измерительных устройства, одно из которых выполнено с авторегулировкой частотной полосы устройства (Δf=1÷15.000 Гц - частотная полоса), а другое - нет (Δf=50 Гц). В остальном технические данные обоих приборов следующие:To illustrate the benefits, consider the following example. Let's assume that there are two measuring devices, one of which is made with autoadjustment of the frequency band of the device (Δf=1÷15.000 Hz - frequency band), and the other is not (Δf=50 Hz). Otherwise, the technical data of both devices are as follows:

D_o.c. = 10 см - диаметр входного зрачка;D _oc = 10 cm - diameter of the entrance pupil;

q_n = 1 см - площадь чувствительной площадки приемника лучистой энергии;q _n = 1 cm is the area of the sensitive area of the radiant energy receiver;

N = 50 - число чувствительных элементов приемника;N = 50 - the number of sensitive elements of the receiver;

k = 10 - отношение сигнал/шум;k = 10 - signal-to-noise ratio;

γ = 10^-2 - разрешающая способность системы;γ = 10 ^-2 - resolution of the system;

τ_o.c. = 0,5 - коэффициент пропускания оптической системы.τ _oc = 0.5 - transmittance of the optical system.

Сравним дальности действия приборов, определяя ее по следующей зависимости (см. В.В. Козёлкин, И.Ф. Усольцев "Основы инфракрасной техники", "Машиностроение", 1967 г., стр. 285):Let's compare the ranges of the devices, determining it according to the following dependence (see V.V. Kozelkin, I.F. Usoltsev "Fundamentals of infrared technology", "Engineering", 1967, p. 285):

где:

- обнаружительная способность;where:

- detective ability;

Φ_n = 10^-10 Вт - пороговый поток;Φ _n = 10 ^-10 W - threshold flow;

- время просмотра поля обзора.

- viewing time of the field of view.

Тогда для прибора с авторегулировкой частотной полоса максимальная дальность обнаружения:Then for a device with automatic frequency band adjustment, the maximum detection range is:

D_{1 Гц} = 8770 м; D _{1 Hz} = 8770 m;

а для прибора с фиксированной частотной полосой:and for a device with a fixed frequency band:

D_{50 Гц} = 2400 м.D _{50 Hz} = 2400 m.

Откуда выигрыш в дальности обнаружения составит:Where does the gain in detection range come from:

Уменьшение динамического диапазона сигнала оценим по падению обнаружительной способности приемника излучения:The decrease in the dynamic range of the signal can be estimated from the drop in the detectivity of the radiation receiver:

Таким образом, динамический диапазон сигнала сузится в 17 раз, а это, в свою очередь, позволит существенно улучшить точность измерений.Thus, the dynamic range of the signal will be narrowed by a factor of 17, and this, in turn, will significantly improve the measurement accuracy.

Блок-схема, поясняющая данный способ, приведена на фиг. 1. Сканирующая оптическая система (I) дискретно формирует изображение исследуемого объекта на приемной площадке приемника лучистой энергии (2).A flowchart illustrating this method is shown in FIG. 1. The scanning optical system (I) discretely forms an image of the object under study on the receiving area of the radiant energy receiver (2).

Далее сигнал усиливается усилителем с регулируемой частотной полосой (3).Further, the signal is amplified by an amplifier with an adjustable frequency band (3).

Анализирующее устройство (4) в результате анализа сигнала с помощью формирователя управляющих сигналов (5) непрерывно оказывает соответствующее результату воздействие на полосу усилителя (3). Соответственно с целью согласования частот входного сигнала с полосой усилителя изменяется скорость привода сканирования объектива (6). С выхода усилителя сигнал подается на устройство обработки и регистрации (7).The analyzing device (4) as a result of analyzing the signal with the help of the shaper of the control signals (5) continuously affects the band of the amplifier (3) corresponding to the result. Accordingly, in order to match the frequencies of the input signal with the amplifier band, the speed of the lens scanning drive (6) is changed. From the output of the amplifier, the signal is fed to the processing and recording device (7).

Claims

A method for measuring infrared radiation, for example, radiation from ballistic objects, based on changing the bandwidth of the measuring system path, characterized in that, in order to increase the amount of useful information, the bandwidth is changed simultaneously and continuously with the space survey speed in proportion to the radiation level.