RU2730371C1

RU2730371C1 - Object visualization device

Info

Publication number: RU2730371C1
Application number: RU2019132383A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Покотило; Александр Леонтьевич Снегирев; Марат Шамильевич Гареев; Ярослав Николаевич Гусеница; Владимир Сергеевич Ивановский
Original assignee: Федеральное государственное автономное учреждение "Военный инновационный технополис "ЭРА"
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-08-21

Abstract

FIELD: optics; machine building.SUBSTANCE: invention relates to the field of optoelectronic instrument making and relates to the object visualization device. Device includes an object illumination source, an optical system forming a beam of illumination, an anti-Stokes frequency converter of infrared radiation, an input optical system, a narrow-band interference filter, a photodetector matrix, a signal processing unit and a monitor. Anti-Stokes converter is arranged on the observed object. Optical radiation source used is a frequency-tunable laser which emits in the infrared wavelength range and exciting the anti-Stokes fluorescent emission of the observed object at a wavelength corresponding to at least one of the Fraunhofer lines of absorption of solar radiation.EFFECT: technical result consists in enabling round-the-clock operation of the device, improved noise immunity and longer range of the device.1 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к оптико-электронным системам дистанционного зондирования и к технике контроля и распределения полей оптического излучения, а конкретно - к устройствам визуализации объектов по их люминесцентному излучению, возбуждаемому источником света.The claimed invention relates to optoelectronic remote sensing systems and to techniques for monitoring and distributing optical radiation fields, and in particular, to devices for visualizing objects by their luminescent radiation excited by a light source.

Известны устройства обнаружения и визуализации объектов, содержащие источник излучения, оптическую систему, формирующую световой пучок, облучающий объект, приемную оптическую систему, приемник оптического излучения, блок обработки сигнала и монитор [1. Патент 2351970 от 27.09.2007 г. 2. Патент RU 2493192 от 07.09.2011 г. 3. Патент RU 93168 от 21.07.2009 г. 4. Патент RU 2263939 от 29.03.2004 г.].Known devices for detecting and visualizing objects containing a radiation source, an optical system that forms a light beam, an irradiating object, a receiving optical system, an optical radiation receiver, a signal processing unit and a monitor [1. Patent 2351970 from 27.09.2007 2. Patent RU 2493192 from 07.09.2011 3. Patent RU 93168 from 21.07.2009 4. Patent RU 2263939 from 29.03.2004].

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство визуализации по патенту RU 2351970 от 27.09.2007 г., содержащее входную и выходную оптические системы и сопряженный с ними антистоксовый преобразователь частоты с источником излучения накачки антистоксового преобразователя, фотоприемная матрица, блок обработки сигналов в виде решающего устройства и сумматора и монитор. Устройство обеспечивает формирование видимого изображения объектов по их инфракрасному излучению.Closest to the claimed invention is a visualization device according to patent RU 2351970 dated 09/27/2007, containing input and output optical systems and an anti-Stokes frequency converter coupled with them with a pump radiation source of an anti-Stokes converter, a photodetector matrix, a signal processing unit in the form of a resolver and adder and monitor. The device provides the formation of a visible image of objects by their infrared radiation.

Недостатком прототипа является низкая помехозащищенность, связанная с невозможностью работы при солнечном освещении, и недостаточная дальность действия.The disadvantage of the prototype is the low noise immunity associated with the impossibility of working in sunlight, and insufficient range.

Задача изобретения - обеспечить круглосуточную работу устройства визуализации объекта по его флуоресцентному излучению, улучшить помехозащищенность и увеличить дальность действия устройства.The objective of the invention is to ensure round-the-clock operation of the device for visualizing an object by its fluorescent radiation, improve noise immunity and increase the range of the device.

Технический результат достигается за счет того, что в устройство визуализации объекта, содержащее входную оптическую систему (объектив), антистоксовый преобразователь частоты оптического излучения, фотоприемную матрицу, блок обработки сигнала и монитор, введены источник подсвета объекта, оптическая система, формирующая оптический пучок подсвета, и узкополосный интерференционный фильтр, установленный на входе фотоприемной матрицы, при этом спектральный коэффициент пропускания интерференционного фильтра согласован со спектром излучения наблюдаемого объекта и со спектральным диапазоном работы фотоприемной матрицы, антистоксовый преобразователь частоты инфракрасного излучения размещен на наблюдаемом объекте, в качестве источника оптического излучения использован перестраиваемый по частоте лазер, излучающий в инфракрасном диапазоне длин волн и возбуждающий антистоксовое флуоресцентное свечение наблюдаемого объекта на длине волны, соответствующей, по крайней мере, одной из фраунгоферовых линий поглощения (ФЛП) солнечного излучения. В качестве фотоприемной матрицы может быть использован электронно-оптический преобразователь или фотоприбор с зарядовой связью.The technical result is achieved due to the fact that an object illumination source, an optical system forming an optical illumination beam are introduced into an object visualization device containing an input optical system (lens), an anti-Stokes optical frequency converter, a photodetector matrix, a signal processing unit and a monitor, and narrow-band interference filter installed at the input of the photodetector matrix, while the spectral transmittance of the interference filter is matched with the radiation spectrum of the observed object and with the spectral range of the photodetector matrix, an anti-Stokes infrared frequency converter is placed on the observed object, a frequency tunable is used as a source of optical radiation laser emitting in the infrared wavelength range and exciting the anti-Stokes fluorescent glow of the observed object at a wavelength corresponding to at least one of the Fraunhofer lines absorption (FLP) of solar radiation. An electron-optical converter or a charge-coupled photodevice can be used as a photodetector matrix.

Линии Фраунгофера в спектре солнечного излучения являются линиями спектра поглощения, возникающими в результате поглощения излучения определенных длин волн из сплошного солнечного спектра излучения парами и газами, находящимися в атмосфере Солнца. Излучение на частотах, соответствующих линиям Фраунгофера, отсутствует в спектре солнечного излучения, дошедшего до земной поверхности и отражаемого ею [см., например: 1. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М: Наука, 1974. - С. 200; 2. Покотило С.А., Падалко Г.А., Дёмкин В.В., Четвериков Л.Л. Перспективные лазерные технологии для применения при построении перспективных систем наблюдения // II науч.-техн. конф. «Системы наблюдения, мониторинга и дистанц. зондир. Земли», 12-16 сентября 2005 г., Адлер. - Тез. докл. - М: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2005. - С. 35-42].Fraunhofer lines in the solar spectrum are absorption spectrum lines resulting from the absorption of radiation of certain wavelengths from the continuous solar radiation spectrum by vapors and gases in the solar atmosphere. Radiation at frequencies corresponding to the Fraunhofer lines is absent in the spectrum of solar radiation that has reached the earth's surface and is reflected by it [see, for example: 1. Koshkin NI, Shirkevich MG. Handbook of elementary physics. - M: Nauka, 1974. - P. 200; 2. Pokotilo S.A., Padalko G.A., Demkin V.V., Chetverikov L.L. Promising laser technologies for use in the construction of advanced observation systems // II scientific-technical. conf. “Observation, monitoring and remote control systems probe. Lands ”, September 12-16, 2005, Adler. - Tez. report - M: MNTORES them. A.S. Popova, 2005. - S. 35-42].

Прием оптических сигналов на длине волны, соответствующей одной из фраунгоферовых линий поглощения, сводит к минимуму уровень фотонного шума, который является определяющим по мощности по сравнению с другими видами шума, и обеспечивает максимально возможное отношение амплитуды принимаемого оптического сигнала к среднеквадратическому значению уровня шума. Таким образом, при этом обеспечиваются наилучшие условия наблюдения объекта.The reception of optical signals at a wavelength corresponding to one of the Fraunhofer absorption lines minimizes the level of photon noise, which is dominant in terms of power compared to other types of noise, and ensures the maximum possible ratio of the received optical signal amplitude to the rms noise level. Thus, the best conditions for observing the object are provided.

В таблице в качестве примера приведены технические данные некоторых типов перестраиваемых по частоте лазеров, и длины волн, соответствующие некоторым ФЛП.

As an example, the table gives technical data for some types of frequency-tunable lasers and wavelengths corresponding to some FLPs.

Заявляемое устройство иллюстрируется функциональной схемой, изображенной на фигуре. Функциональная схема включает в себя следующие элементы: 1 - перестраиваемый по частоте инфракрасный лазер; 2 - формирующая оптическая система; 3 - визуализируемый объект; 4 - антистоксовый преобразователь частоты; 5 - интерференционный фильтр; 6 - входная оптическая система; 7 - фотоприемная матрица; 8 - блок обработки сигналов; 9 - монитор; 10 - наблюдатель, - при этом антистоксовый преобразователь частоты расположен на наблюдаемом объекте, лазер излучает в инфракрасном диапазоне, а фотоприемная матрица принимает излучение от объекта на длине волны, соответствующей одной из фраунгоферовых линий поглощения А, В, С, D и находящейся в спектральном диапазоне от 587,0 нм до 763,0 нм.The claimed device is illustrated by the functional diagram shown in the figure. The functional diagram includes the following elements: 1 - frequency-tunable infrared laser; 2 - forming optical system; 3 - the rendered object; 4 - anti-Stokes frequency converter; 5 - interference filter; 6 - input optical system; 7 - photodetector matrix; 8 - signal processing unit; 9 - monitor; 10 - observer, while the anti-Stokes frequency converter is located on the observed object, the laser emits in the infrared range, and the photodetector matrix receives radiation from the object at a wavelength corresponding to one of the Fraunhofer absorption lines A, B, C, D and located in the spectral range from 587.0 nm to 763.0 nm.

Устройство работает следующим образом. Перестраиваемый по частоте лазер 1 с помощью формирующей оптической системы 2 облучает антистоксовый преобразователь частоты 4, расположенный на визуализируемом объекте 3. Возбужденное флуоресцентное излучение антистоксового преобразователя 4 происходит на длине волны, соответствующей одной из фраунгоферовых линий поглощения и воспринимается фотоприемной матрицей 7 через интерференционный светофильтр 5 и приемную оптическую систему 6, что обеспечивает высокую помехозащищенность принимаемого сигнала. С выхода фотоприемной матрицы 7 электрические сигналы изображения поступают в блок обработки сигналов 8, где подвергаются электронной обработке - усилению и фильтрации - с целью повышения отношения сигнал/шум, и подаются на монитор 9, в котором преобразуются в видимое изображение объекта 3, 4, наблюдаемого оператором 10.The device works as follows. Frequency-tunable laser 1 with the help of shaping optical system 2 irradiates anti-Stokes frequency converter 4, located on the visualized object 3. Excited fluorescent radiation of anti-Stokes converter 4 occurs at a wavelength corresponding to one of the Fraunhofer absorption lines and is perceived by the photodetector matrix 7 through an interference light filter 5 and receiving optical system 6, which ensures high noise immunity of the received signal. From the output of the photodetector matrix 7, the electrical image signals enter the signal processing unit 8, where they are subjected to electronic processing - amplification and filtering - in order to increase the signal-to-noise ratio, and are fed to the monitor 9, in which they are converted into a visible image of the object 3, 4 observed operator 10.

Технический результат заключается в возможности визуализации объекта по нанесенному на его поверхность антистоксовому преобразователю частоты инфракрасного излучения в частоту видимого излучения, в улучшении помехозащищенности устройства визуализации за счет использования оптического излучения на фраунгоферовых линиях поглощения, и в увеличении дальности действия устройства.The technical result consists in the possibility of visualizing an object using an anti-Stokes converter of infrared radiation frequency to the frequency of visible radiation applied to its surface, in improving the noise immunity of the visualization device due to the use of optical radiation on Fraunhofer absorption lines, and in increasing the range of the device.

Claims

An object visualization device, which includes an input optical system, an anti-Stokes optical frequency converter, a photodetector matrix, a signal processing unit and a monitor, characterized in that an object illumination source, an optical system that forms an illumination beam, and a narrow-band interference filter installed at the input of the photodetector matrix, the spectral transmittance of which is matched with the radiation spectrum of the observed object and with the spectral range of operation of the photodetector matrix, while the anti-Stokes infrared frequency converter is placed on the observed object, a frequency-tunable laser emitting in the infrared range is used as a source of optical radiation wavelengths and exciting anti-Stokes fluorescent glow of the observed object at a wavelength corresponding to at least one of the Fraunhofer absorption lines of solar radiation.