Введение к работе
Оптический диапазон электромагнитных излучений интересен тем, что в нем расположены главные частоты молекулярных спектров большинства соединений и на него же приходится основная доля теплового излучения реальных тел. Это определило развитие инфракрасной техники в направлении:
молекулярной спектроскопии как инструмента исследования взаимодействия излучения с веществом;
высокоточного обнаружения и распознавания теплоизлучаю-щих объектов в промышленности, медицине, научных исследованиях и военном деле.
Одной из главных причин, определяющих точностные параметры измерительных оптико-электронных систем (ОЭС) является наличие фоновых составляющих поля оптических излучений, которые можно разделить на внешние - создаваемые источниками, находящимися в пространстве наблюдаемых объектов и внутренние - аппаратурные. Первые порождаются как естественными, природными источниками оптических излучений, в основном являющимися температурными источниками (Солнце, Луна, Земля, поверхность суши и моря, облака и т.д.), так и искусственными, например, пассивными и активными средствами оптико-электронного подавления. Вторые создаются элементами оптических систем и элементами конструкции внутренней полости оптико-электронного прибора.
Если оптические параметры источников первой группы достаточно хорошо изучены, то поведение вторых в процессе эксплуатации прибора предсказать довольно сложно. Необходимость их изучения обостряется, когда прибор работает в тяжёлых температурных уело-
виях. В этом случае входные устройства (защитные оптические и конструктивные элементы) и элементы оптического канала (линзы, зеркала и т.д.) вносят существенный вклад в поток, регистрируемый приёмником лучистой энергии (ПЛЭ), что приводит к дополнительным ошибкам измерений, уменьшению помехозащищённости, снижению чувствительности прибора. Причем, чем выше длина волны излучения регистрируемого ПЛЭ, тем большее влияние оказывает излучение самих конструктивных и оптических элементов (даже при обычных условиях работы прибора). Это особенно важно при определении теплового состояния объектов, находящихся при температурах близких к температуре окружающей среды, поскольку потоки, идущие от объекта излучения, соизмеримы с потоками излучения от самих элементов оптической системы.
Поэтому вопросы, связанные с изучением температурных полей элементов оптических каналов, объемной плотности излучения оптически полупрозрачных сред и связанной с ними фоновой облученностью плоскости ПЛЭ весьма актуальны.
Эффективность работы систем обнаружения и распознавания теплоизлучающих объектов, в зависимости от их назначения, определяется выбором приемника лучистой энергии.
До настоящего времени преимущество отдается разработкам систем обнаружения и распознавания теплоизлучающих объектов с фотонными охлаждаемыми ПЛЭ, ввиду их малой инерционности и высокой пороговой чувствительности. При этом наибольшее предпочтение отдается приёмникам, работающим в интервалах 3,5-5,0 мкм и 8,0-13,0 мкм, что соответствует двум основным окнам прозрачности атмосферы.
Необходимость создания сложных и дорогостоящих систем охлаждения ПЛЭ (до 3,7-4,3 К) крайне затрудняет практическую реализацию широкоспектральных систем с интегральными приёмниками, работающими в реальном масштабе времени.
Кроме того, в существующих системах распознавания количественная обработка тепловых изображений, как правило, ориентирована на разделение классов по пороговым значениям параметров. Константы разделяющих функций определяются либо эмпирически, либо прямыми вычислениями по выборкам ограниченного объёма. Это приводит к малой достоверности распознавания (диагностики), что и определяет в настоящее время отказ от принципа автоматизированной количественной обработки и перенос центра тяжести на оператора.
Актуальность темы
Анализ состояния разработок в области измерения оптических излучений, связанных с созданием измерительно-распознающих систем, показал, что:
— практически отсутствуют данные об исследованиях, посвя
щенных изучению квантовых явлений, связанных с пре оразованием
излучения в широкоспектральных малоинерционных Г Э;
- не исследованы вопросы возникновения дополнительных по
грешностей за счет фонового излучения оптических и конструктив
ных элементов, определяемые спецификой применения приборов. От
сутствует количественная оценка влияния этого излучения на обна-
ружительную способность при расширении спектрального диапазона
принимаемых излучений;
- недостаточно исследован ряд вопросов, относящихся к узко
спектральным радиометрическим системам, в частности, связанных с
влиянием изменения спектрального коэффициента излучения изме
ряемых объектов на метрологические характеристики систем;
-практически не развиваются автоматизированные широкоспектральные пассивные системы обнаружения и распознавания теплоизлучающих объектов, работающие в реальном масштабе времени.
Необходимость проведения комплекса исследований, которые бы позволили восполнить указанные пробелы, определила цель работы.
Цель работы
Решение комплексной проблемы повышения эффективности пассивных систем обнаружения и распознавания теплоизлучающих объектов исходя из условия обеспечения необходимой достоверной информацией системы управления выбором конкретной стратегии (например, стратегии противодействия в оборонных системах, стратегии устранения дефектов в технической диагностике, стратегии лечения в медицинской диагностике и т.д.). Эта цель достигается путем разработки принципиально новой методологии:
создания широкоспектральных приемников лучистой энергии, построенных на использовании эффекта высокотемпературной сверхпроводимости;
количественного учета влияния собственного (фонового) излучения оптических элементов и элементов конструкции приемных каналов произвольной компоновки;
использование коротковолновой области спектра оптического излучения для уменьшения методических погрешностей измерений,
обусловленных изменениями спектрального коэффициента излучения;
- новых способов и средств измерения цветности и яркости объектов.
Научная новизна
Новизну диссертационной работы можно принципиально охарактеризовать следующими положениями:
-
Впервые разработаны теоретические основы и принципиально новая методология создания цгарокоспектральных приемников лучистой энергии, построенных на использовании эффекта высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП), путем определения потока измеряемого оптического излучения по времени нахождения чувствительного элемента в зоне сверхпроводимости.
-
Предложен и обоснован новый физический подход к измерению оптического излучения с помощью ВТСП приемников лучистой энергии по аномальному эффекту изменения шумовой характеристики в зоне сверхпроводимости.
-
Разработана математическая модель ВТСП приемника лучистой энергии и сформулированы рекомендации по оптимизации его точностных характеристик.
-
Проведено исследование в широком спектральном интервале коэффициентов излучения оптически полупрозрачных тел и разработана методика расчета фоновых лучистых потоков плоскости ПЛЭ.
-
Исследовано влияние нагретых промежуточных оптических элементов на точность радиометрических измерений. Получены аналитические зависимости, характеризующие ошибки температурных
измерений, связанные с собственным излучением этих элементов. Рассчитаны их предельные значения.
-
Получены общие алгоритмы расчета внутриприборной фоновой облученности плоскости анализа изображения, позволяющие провести оптимизацию оптического тракта и конструкции прибора.
-
Предложен и обоснован квазимонохроматический метод измерения температур объектов, свободный от методических погрешностей, связанных с изменением спектрального коэффициента излучения.
-
Разработан метод автоматизированного определения цветности и яркости люминесцентных материалов.
-
На базе проведенных исследований разработаны рекомендации и осуществлена практическая реализация пассивных систем обнаружения и распознавания с тактико-техническими характеристиками, обеспечивающими сохранение постоянства температурной разрешающей способности при положительных и отрицательных температурных контрастах, а также при изменении коэффициентов излучения в широком спектральном интервале.
Основные результаты работы защищены авторскими свидетельствами и патентами.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту
1. Методология и принципы создания широкоспектральных приемников лучистой энергии, построенных на использовании эффекта высокотемпературной сверхпроводимости по измерению времени нахождения чувствительного элемента в зоне сверхпроводимости. В основу методологии положены результаты математического
моделирования приемников лучистой энергии с аномальным эффектом изменения шумовой характеристики в зоне сверхпроводимости.
-
Методология расчета внутриприборной фоновой облученности плоскости приемника лучистой энергии.
-
Общие принципы и методические основы создания автоматизированных широкоспектральных пассивных систем обнаружения и распознавания (в том числе систем лучевой диагностики) с использованием структурно-стохастического метода анализа тепловых полей.
-
Квазимонохроматический радиометрический метод измерения, свободный от методических погрешностей.
-
Результаты практической реализации разработанных принципов повышения эффективности пассивных систем обнаружения и распознавания теплоизлучающих объектов.
Практическая ценность и реализация результатов работы
В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача создания высокоинформатнвных систем обнаружения и распознавания широкого класса теплоизлучающих объектов (сп различных видов военной техники до биологических).
Предложены и практически реализованы:
- новый способ определения в широком спектральном интерва
ле потока электромагнитного излучения (Пат. № 2065141);
- принципиально новая конструкция широкоспектрального
ВТСП приемника электромагнитного излучения оптического диапа
зона (Пат. № 1831665);
- принципиально новый способ съема информации и конструк
ция многоэлементного широкоспектрального ВТСП приемника опти-
ческого излучения с одноканальным съемом информации (Пат.№ 2082116);
- зеркальная (А.С. № 334535) и зеркально-линзовая (А.С.
№ 365675) панкратнческие оптические системы, которые применены
в разработках широкоспектральных систем обнаружения и распозна
вания теплоизлучающих объектов;
комплекс радиометрических систем для важнейших технологических процессов электронной техники (А.С. № 134430, 359579, 393735,504101).
принципы построения систем обнаружения и распознавания теплоизлучающих объектов, в том числе со стандартизацией изображения по геометрии и температуре (А.С. № 376903, 786062, пат. 2047850).
- методики, алгоритмы и компьютерные программы расчета
внутриприборной фоновой облученности от элементов оптического
канала и конструктивных элементов.
Разработанные автором рекомендации, схемотехнические решения и алгоритмы обработки тепловых изображений внедрены в организациях МО РФ (НИЦ РЭВ в.ч. 30895, б.ч. 87415), на предприятиях: ГНПО "Альтаир", "Альтаир-НТЦ", НТП "Реаконт", НТЦ "Электрозонд", НПО "Плутон", а также в медицинских учреждениях. Результаты работы используются в настоящее время в учебном процессе МИРЭА (ТУ) в виде лекционных материалов, учебных пособий, экспериментально-лабораторной базы.
Апробация работы
Основные результаты диссертации в период с 1966 по 2000 год докладывались более чем на шестидесяти международных и нацио-
нальных конференциях и совещаниях и опубликованы в 110 печатных трудах. В их числе 1 монография, 12 учебных пособий, статьи в реферируемых журналах, 14 авторских свидетельств и патентов, 3 свидетельства на промышленные образцы.
Разработки по диссертационной работе награждены 7 медалями ВДНХ СССР (1 золотая - 1982 г, 3 серебряных - 1976,1980,1981 гг, 3 бронзовые- 1973, 1974, 1978 гг.).
Учебное пособие "Волоконно-оптические каналы оптико-электронных приборов" награждено Дипломом республиканской межведомственной выставки литературы, выпускаемой высшими учебными заведениями, НИИ и организациями РСФСР, Смоленск, 1985 г.)
Объем и структура диссертации
