RU51758U1

RU51758U1 - INFRARED COLLIMATOR COMPLEX

Info

Publication number: RU51758U1
Application number: RU2005132840/22U
Authority: RU
Inventors: Адольф Георгиевич Бугаенко; Ренат Исламович Зарипов; Владимир Петрович Иванов; Виктор Иванович Курт
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2005-10-24
Publication date: 2006-02-27

Abstract

Использование: Для контроля и измерения параметров тепловизионных приборов.Usage: To control and measure the parameters of thermal imaging devices.

Цель: Повышение точности поддержания уровня контрастного излучения.Purpose: Improving the accuracy of maintaining the level of contrast radiation.

Сущность полезной модели: В инфракрасный коллиматорный комплекс, содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного дополнительно введено устройство измерения температуры окружающей среды, выход которого подключен к третьему входу процессора температурного.The essence of the utility model: In an infrared collimator complex, containing a lens interchangeable with the world, located in the focal plane of the lens, a background emitter located behind the world and equipped with an actuator, a control device whose output is connected to the actuator of the background radiator, a thermal processor, the output of which is connected to the input of the control device, a device for measuring the temperature of the worlds, the output of which is connected to the first input of the temperature processor, the measurement device p temperature connectivity between the base and emitter Mira, whose output is connected to the second input of the processor temperature is further introduced ambient environment temperature measurement unit, the output of which is connected to the third input of the thermal processor.

Положительный эффект: Повышение точности контроля и измерения параметров тепловизионных приборов.Positive effect: Improving the accuracy of monitoring and measuring parameters of thermal imaging devices.

Description

Предполагаемая полезная модель относится к оптическому приборостроению и предназначена для контроля и измерения параметров тепловизионных приборов (ТВП).The proposed utility model relates to optical instrumentation and is intended to control and measure the parameters of thermal imaging devices (TVP).

Известен инфракрасный коллиматорный комплекс (см. Ллойд Д. Системы тепловидения. М. 1978 г. стр.392, 393), содержащий объектив, сменную миру, размещенную в фокальной плоскости объектива перед фоновым излучателем, снабженным исполнительным элементом (нагревателем), устройство управления (поддержания разности температур), выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя.Known infrared collimator complex (see Lloyd D. Thermal imaging systems. M. 1978, p. 392, 393), containing a lens, interchangeable to the world, placed in the focal plane of the lens in front of a background emitter equipped with an actuator (heater), a control device ( maintaining the temperature difference), the output of which is connected to the executive element of the background emitter.

Недостаток этого инфракрасного измерительного комплекса заключается в том, что поддержание разности температур между фоновым излучателем и мирой не обеспечивает поддержание уровня контрастного излучения при работе в широком диапазоне температур окружающей среды, т.к. уровень контрастного излучения зависит не только от разности температур между фоновым излучателем и мирой, но и в значительной степени от абсолютного значения температуры миры (температуры окружающей среды).The disadvantage of this infrared measuring complex is that maintaining the temperature difference between the background emitter and the world does not ensure maintaining the level of contrast radiation when working in a wide range of ambient temperatures, because the level of contrast radiation depends not only on the temperature difference between the background emitter and the world, but also largely on the absolute value of the temperature of the worlds (ambient temperature).

Наиболее близкой к предполагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту является инфракрасный коллиматорный комплекс (Патент РФ №2244950, G 02 В 27/30, опубликованный 20.01.2005 г.), содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход The closest to the proposed utility model in terms of technical nature and the effect achieved is the infrared collimator complex (RF Patent No. 2244950, G 02 B 27/30, published January 20, 2005) containing a lens interchangeable with the world located in the focal plane of the lens, background a radiator located behind the world and equipped with an actuator, a control device, the output of which is connected to the actuator of the background radiator, a thermal processor, the output of which is connected to the input of the control device, triad temperature measurement worlds, output

которого подключен к первому входу процессора температурного, устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного.which is connected to the first input of the temperature processor, a device for measuring the temperature difference between the background emitter and the world, the output of which is connected to the second input of the temperature processor.

Подобный инфракрасный коллиматорный комплекс при изменении температуры миры автоматически изменяет разность температур между фоновым излучателем и мирой по закону, полученному при калибровке инфракрасного измерительного комплекса в рабочем диапазоне температур окружающей среды, и обеспечивающему высокую точность поддержания уровня контрастного излучения при любом (в пределах рабочего диапазона) значении температуры окружающей среды.Such an infrared collimator complex, when the worlds temperature changes, automatically changes the temperature difference between the background emitter and the world according to the law obtained when calibrating the infrared measuring complex in the working range of ambient temperatures, and providing high accuracy of maintaining the level of contrast radiation at any (within the working range) value ambient temperature.

Недостаток идеологии подобного инфракрасного коллиматорного комплекса проявляется при его работе в течение длительного времени, когда происходит постепенный нагрев (охлаждение) миры за счет передачи ей тепла (холода) от расположенного рядом с ней на небольшом расстоянии фонового излучателя и возникает разность температур между мирой и окружающей средой. (В начале работы температура миры и окружающей среды практически совпадают).The lack of ideology of such an infrared collimator complex manifests itself during its operation for a long time, when the worlds gradually heat up (cool down) due to the transfer of heat (cold) to it from the background emitter located next to it at a small distance and a temperature difference arises between the world and the environment . (At the beginning of the work, the temperatures of the worlds and the environment practically coincide).

При одних и тех же значениях температур фонового излучателя и миры, но разных значениях температуры окружающей среды уровень контрастного излучения на выходе инфракрасного коллиматорного комплекса будет разным.At the same temperatures of the background emitter and the worlds, but different values of the ambient temperature, the level of contrast radiation at the output of the infrared collimator complex will be different.

Происходит это потому, что степень черноты поверхности фонового излучателя и миры на практике всегда меньше 1 (обычно находится в пределах 0,92...0,94), и поток инфракрасного излучения каждого из них будет определяться не только их собственной температурой, но и температурой поверхностей, поток инфракрасного излучения от которых отражается соответственно от фонового излучателя и миры.This happens because the degree of blackness of the surface of the background emitter and the worlds in practice is always less than 1 (usually within 0.92 ... 0.94), and the infrared radiation flux of each of them will be determined not only by their own temperature, but also the temperature of surfaces, the flow of infrared radiation from which is reflected respectively from the background emitter and the worlds.

Мира отражает (частично, в соответствии со степенью черноты ее поверхности) падающие на нее потоки излучения от конструктивных The world reflects (partially, in accordance with the degree of blackness of its surface) the incident radiation flux from the structural

элементов коллиматора (в основном от корпуса коллиматора), имеющих температуру окружающей среды. Поэтому поток излучения от миры в случае, когда температура окружающей среды ниже температуры миры, будет меньше, чем в случае, когда температура окружающей среды и температура миры одинаковы.collimator elements (mainly from the collimator body) having an ambient temperature. Therefore, the radiation flux from the worlds in the case when the ambient temperature is lower than the temperature of the worlds will be less than in the case when the ambient temperature and the temperature of the worlds are the same.

Поток инфракрасного излучения от фонового излучателя при различных температурах окружающей среды, но одинаковой температуре миры будет практически одинаковым, т.к. фоновый излучатель располагается на малом расстоянии непосредственно за мирой и практически полностью закрывается ею. Поэтому он отражает (частично, в соответствии со степенью черноты своей поверхности) поток инфракрасного излучения миры (ее тыльной стороны), который при одинаковых температурах миры будет практически одинаковым.The flow of infrared radiation from the background emitter at different ambient temperatures, but at the same temperature, the worlds will be almost the same, because the background emitter is located at a short distance directly behind the world and is almost completely closed by it. Therefore, it reflects (partially, in accordance with the degree of blackness of its surface) the flow of infrared radiation from the worlds (its back side), which at the same temperatures the worlds will be almost the same.

Таким образом, при равных температурах миры и фонового излучателя, но разных температурах окружающей среды, уровень контрастного излучения на выходе инфракрасного коллиматорного комплекса, определяемый разностью инфракрасных потоков излучения фонового излучателя и миры, будет разным, т.е. возникает ошибка поддержания уровня контрастного излучения. При этом величина ошибки зависит не только от разности температур миры и окружающей среды, но и от абсолютного значения этих температур, (Ошибка больше при больших абсолютных значениях температур).Thus, at equal temperatures of the worlds and the background emitter, but different ambient temperatures, the level of contrast radiation at the output of the infrared collimator complex, determined by the difference in the infrared fluxes of radiation from the background emitter and the worlds, will be different, i.e. an error occurs in maintaining the level of contrast radiation. Moreover, the magnitude of the error depends not only on the temperature difference between the worlds and the environment, but also on the absolute value of these temperatures (the error is greater at large absolute temperature values).

Так, при температуре окружающей среды 300 К и разности температур миры и окружающей среды 0,4 К изменение уровня контрастного излучения по сравнению со случаем, когда эта разность равна 0 К составит величину порядка (0,02...0,04) К, что для инфракрасных коллиматорных комплексов с допустимой погрешностью, как правило, не более ±0,01 К неприемлемо.So, at an ambient temperature of 300 K and a temperature difference between the worlds and the environment of 0.4 K, a change in the level of contrast radiation compared with the case when this difference is 0 K will be of the order of (0.02 ... 0.04) K, that for infrared collimator complexes with an acceptable error, as a rule, no more than ± 0.01 K is unacceptable.

Для обеспечения требуемой точности измерения и поддержания уровня контрастного излучения необходимо осуществлять коррекцию To ensure the required measurement accuracy and maintain the level of contrast radiation, it is necessary to carry out correction

работы инфракрасного коллиматорного комплекса по разности температур миры и окружающей среды с учетом абсолютного значения температуры окружающей среды.the operation of the infrared collimator complex according to the temperature difference between the worlds and the environment, taking into account the absolute value of the ambient temperature.

Целью предполагаемой полезной модели является повышение точности поддержания уровня контрастного излучения.The purpose of the proposed utility model is to increase the accuracy of maintaining the level of contrast radiation.

Указанная цель достигается тем, что в инфракрасный коллиматорный комплекс, содержащий объектив, сменную миру, расположенную в фокальной плоскости объектива, фоновый излучатель, расположенный за мирой и снабженный исполнительным элементом, устройство управления, выход которого подключен к исполнительному элементу фонового излучателя, процессор температурный, выход которого подключен к входу устройства управления, устройство измерения температуры миры, выход которого подключен к первому входу процессора температурного, устройство измерения разности температур между фоновым излучателем и мирой, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного дополнительно введено устройство измерения температуры окружающей среды, выход которого подключен к третьему входу процессора температурного.This goal is achieved by the fact that in the infrared collimator complex containing a lens interchangeable with the world, located in the focal plane of the lens, a background emitter located behind the world and equipped with an actuator, a control device whose output is connected to the actuator of the background emitter, a temperature processor, output which is connected to the input of the control device, a device for measuring the temperature of the worlds, the output of which is connected to the first input of the temperature processor, the device from measuring the temperature difference between the background emitter and the world, the output of which is connected to the second input of the temperature processor, an additional device for measuring the ambient temperature is introduced, the output of which is connected to the third input of the temperature processor.

На фиг.1 представлена функциональная схема инфракрасного коллиматорного комплекса.Figure 1 presents a functional diagram of an infrared collimator complex.

Инфракрасный коллиматорный комплекс содержит объектив 1, сменную миру 2, расположенную в фокальной плоскости объектива 1, фоновый излучатель 3, расположенный за сменной мирой 2 и снабженный исполнительным элементом 4, устройство 5 управления, выход которого подключен к исполнительному элементу 4 фонового излучателя 3, процессор температурный 6, выход которого подключен к входу устройства 5 управления, устройство 7 измерения температуры миры 2, выход которого подключен к первому входу процессора температурного 6, устройство 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, выход которого подключен ко второму входу процессора температурного 6, The infrared collimator complex contains a lens 1, interchangeable to the world 2, located in the focal plane of the lens 1, a background emitter 3, located behind the interchangeable world 2 and provided with an actuating element 4, a control device 5, the output of which is connected to the actuating element 4 of the background emitter 3, a temperature processor 6, the output of which is connected to the input of the control device 5, the device 7 for measuring the temperature of the worlds 2, the output of which is connected to the first input of the processor temperature 6, the device 8 for measuring the difference and temperatures between the background emitter 3 and the world 2, the output of which is connected to the second input of the processor temperature 6,

устройство 9 измерения температуры окружающей среды, выход которого подключен к третьему входу процессора температурного 6. На фиг.1 также показан исследуемый тепловизионный прибор 10.a device 9 for measuring the ambient temperature, the output of which is connected to the third input of the processor temperature 6. Figure 1 also shows the investigated thermal imaging device 10.

Работает инфракрасный коллиматорный комплекс следующим образом.The infrared collimator complex operates as follows.

Участки в центральной части рабочей поверхности фонового излучателя 3, не закрытые сменной мирой 2 (которая может представлять собой, например, непрозрачную пластину, в центральной части которой есть ряд параллельных друг другу сквозных прорезей, ширина которых и интервал между ними равны и у каждой из сменных мир имеют свою величину, см. вид А фиг.1), расположенной в фокальной плоскости объектива 1, создают за счет определенного нагрева фонового излучателя 3 и того, что мира 2 имеет температуру, отличную от температуры фонового излучателя 3, контрастный (с определенным уровнем контрастного излучения) поток инфракрасного излучения, который формируется объективом 1 и в виде контрастного коллимированного потока инфракрасного излучения поступает во входной зрачок исследуемого тепловизионного прибора 10. В тепловизионном приборе 10 контрастное инфракрасное излучение преобразуется в яркостный контраст в видимой области спектра, величина которого пропорциональна уровню контрастного излучения.Areas in the central part of the working surface of the background emitter 3 that are not covered by the interchangeable world 2 (which can be, for example, an opaque plate, in the central part of which there are a number of through slots parallel to each other, the width of which and the interval between them are equal for each of the interchangeable the world has its size, see view A of Fig. 1), located in the focal plane of the lens 1, is created due to a certain heating of the background emitter 3 and the fact that the world 2 has a temperature different from the temperature of the background emitter 3, contrast (with a certain level of contrast radiation) infrared radiation stream, which is formed by lens 1 and in the form of a contrast collimated infrared radiation stream, enters the entrance pupil of the studied thermal imaging device 10. In thermal imaging device 10, the contrast infrared radiation is converted into brightness contrast in the visible region of the spectrum, value which is proportional to the level of contrast radiation.

Для выхода на требуемый уровень контрастного излучения и его поддержания процессор температурный 6 по сигналу, поступающему на его первый вход с устройства 7 измерения температуры миры 2, периодически определяет текущее значение температуры миры 2 (оно в течение определенного (короткого) времени после включения инфракрасного коллиматорного комплекса с достаточной точностью совпадает с температурой окружающей среды). По заданному оператором (с помощью клавиатуры процессора температурного 6) требуемому уровню контрастного излучения и измеренному текущему значению температуры миры 2 To reach the required level of contrast radiation and maintain it, the temperature processor 6, from the signal arriving at its first input from the device 2 for measuring the temperature of the worlds 2, periodically determines the current value of the temperature of the worlds 2 (it is for a certain (short) time after turning on the infrared collimator complex with sufficient accuracy coincides with the ambient temperature). According to the required level of contrast radiation set by the operator (using the keyboard of the processor temperature 6) and the measured current temperature value of the worlds 2

процессор температурный 6, используя предварительно заложенные в него зависимости уровня контрастного излучения от разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 и температуры миры 2, полученные при калибровке инфракрасного коллиматорного комплекса, периодически вычисляет соответствующее им текущее начальное требуемое значение разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2. Но, т.к. калибровка проводится в режиме, когда температура миры 2 практически равна температуре окружающей среды (т.е. без длительной выдержки при каждом измерении), поддержание разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 на уровне, равном текущему начальному требуемому уровню, обеспечит поддержание требуемого уровня контрастного излучения лишь при равенстве температур миры 2 и окружающей среды.temperature processor 6, using the dependences of the level of contrast radiation on the temperature difference between the background emitter 3 and world 2 and the temperature 2 obtained in calibrating the infrared collimator complex, which is periodically calculated periodically calculates the current initial required value of the temperature difference between the background emitter 3 and world 2. But, because calibration is carried out in a mode where the temperature of worlds 2 is practically equal to the ambient temperature (i.e., without a long exposure time for each measurement), maintaining the temperature difference between the background emitter 3 and world 2 at a level equal to the current initial required level will ensure the maintenance of the required level contrast radiation only if the temperatures of worlds 2 and the environment are equal.

Для поддержания требуемого уровня контрастного излучения при длительной работе необходимо в процессе работы периодически корректировать величину разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2. Осуществляется это следующим образом.To maintain the required level of contrast radiation during long-term operation, it is necessary to periodically adjust the temperature difference between the background emitter 3 and the world 2. during operation. This is carried out as follows.

Процессор температурный 6 по сигналу, поступающему на его третий вход с устройства 9 измерения температуры окружающей среды определяет текущую температуру окружающей среды и вычисляет текущую разность температур миры 2 и окружающей среды. Затем, по предварительно заложенной в процессор температурный 6 зависимости корректирующего смещения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 (смещения, обеспечивающего компенсацию влияния разности температур миры 2 и окружающей среды) от величины разности температур миры 2 и окружающей среды и от абсолютного значения температуры окружающей среды, процессор температурный 6 периодически вычисляет текущую величину необходимого корректирующего смещения, соответствующего текущей разности температур миры 2 и окружающей среды при текущем значении температуры окружающей среды. (Зависимость корректирующего The temperature processor 6, according to the signal arriving at its third input from the ambient temperature measuring device 9, determines the current ambient temperature and calculates the current temperature difference between the worlds 2 and the environment. Then, according to the temperature 6 previously incorporated into the processor, the dependences of the correcting offset of the temperature difference between the background emitter 3 and the world 2 (the offset providing compensation for the effect of the temperature difference between the worlds 2 and the environment) on the temperature difference between the worlds 2 and the environment and the absolute value of the ambient temperature environment, the processor temperature 6 periodically calculates the current value of the necessary corrective bias corresponding to the current temperature difference between worlds 2 and the environment food at the current ambient temperature. (Correlation Dependence

смещения от разности температур миры 2 и окружающей среды и от абсолютного значения температуры окружающей среды определяется расчетным путем или эмпирически, отдельно для каждой из сменных мир, т.к. оптические характеристики сменных мир (например, степень черноты) могут быть различными. Выбор нужной зависимости осуществляется процессором температурным 6 автоматически по номеру установленной им в рабочее положение (по команде оператора) сменной миры.displacements from the temperature difference between Worlds 2 and the environment and from the absolute value of the ambient temperature is determined by calculation or empirically, separately for each of the worlds, because The optical characteristics of the interchangeable world (for example, the degree of blackness) may be different. The desired dependence is selected by the temperature processor 6 automatically by the number of the interchangeable worlds set by him in the working position (at the command of the operator).

Далее процессор температурный 6 вычисляет текущее результирующее требуемое значение разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 как сумму текущего начального требуемого значения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 и текущего корректирующего смещения.Next, the temperature processor 6 calculates the current resulting desired value of the temperature difference between the background emitter 3 and world 2 as the sum of the current initial required value of the temperature difference between the background emitter 3 and world 2 and the current correction bias.

Это текущее результирующее требуемое значение процессор температурный 6 сравнивает с фактическим значением разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2, которое он определяет по сигналу, поступающему на его второй вход с устройства 8 измерения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2.This current resultant required value is compared by the temperature processor 6 with the actual value of the temperature difference between the background emitter 3 and the world 2, which it determines by the signal arriving at its second input from the device 8 for measuring the temperature difference between the background emitter 3 and the world 2.

Процессор температурный 6 регулирует с помощью устройства 5 управления величину напряжения питания исполнительного элемента 4 фонового излучателя 3 так, что текущее результирующее требуемое и фактическое значения разности температур между фоновым излучателем 3 и мирой 2 совпадают с точностью, обеспечивающей поддержание уровня контрастного излучения на выходе инфракрасного коллиматорного комплекса с погрешностью, не превышающей допустимое значение независимо от продолжительности времени работы комплекса.The temperature processor 6 regulates, using the control device 5, the supply voltage of the actuator 4 of the background emitter 3 so that the current resulting required and actual values of the temperature difference between the background emitter 3 and the world 2 coincide with an accuracy that ensures the maintenance of the level of contrast radiation at the output of the infrared collimator complex with an error not exceeding the permissible value regardless of the duration of the complex.

Claims

An infrared collimator complex containing a lens interchangeable with the world located in the focal plane of the lens, a background emitter located behind the world and equipped with an actuator, a control device whose output is connected to the actuator of the background radiator, a processor whose output is connected to the input of the control device measuring the temperature of the worlds, the output of which is connected to the first input of the processor, a device for measuring the temperature difference between the background emitter and the world, for which it is connected to the second input of the processor, characterized in that an additional device for measuring the ambient temperature is inserted into it, the output of which is connected to the third input of the processor.