Установка для измерения лазерно-локационных характеристик объектов

Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей по измерению отражательных характеристик объектов.

Для этого установка выполнена с возможностью измерения лазерно-локационных характеристик (ЛЛХ) объектов 6 в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн и включает лазерное приемопередающее устройство 2, приемник 3 фонового излучения 4 и механизм 5 для подвески и вращения объекта 6 измерения между лазерным приемопередающим устройством 2 и поглощающим экраном 1. Элементы установки выполнены с возможностью работы под управлением ЭВМ 8 и соединены с ней через интерфейсный порт и/или через аналогово-цифровой преобразователь.

4 з.п. ф.; 2 ил.

Полезная модель относится к измерительной технике, конкретно к установкам для измерения лазерно-локационных характеристик объектов с обработкой результатов измерений на ЭВМ.

Известны установки [1-6] для измерения радиолокационных и лазерно-локационных характеристик объектов на основе сравнения измерений отражательных характеристик объектов с эталонами.

Наиболее близкой из известных по назначению и технической сущности является установка измерения радиолокационных характеристик объектов [6], включающая последовательно соединенные импульсный радиопередатчик, антенный переключатель, антенну, приемник и вычислитель, ко второму входу которого присоединен пульт управления, вторые вход-выход которого соединены с основным опорно-поворотным устройством, на котором установлен измеряемый объект, и эталонный отражатель, а также опорно-поворотное устройство с платформой и подъемник. На платформе дополнительного опорно-поворотного устройства эксцентрично установлен эталонный отражатель, подъемник дополнительного опорно-поворотного устройства установлен между основным опорно-поворотным устройством и передатчиком в одном импульсном объеме с объектом измерения, а третьи вход-выход пульта управления соединены с дополнительным опорно-поворотным устройством.

Известная установка имеет недостаточные функциональные возможности, связанные с использованием в ней только одного диапазона электромагнитных волн.

Технической задачей является расширение функциональных возможностей установки по измерению отражательных характеристик объектов.

Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является расширение спектрального диапазона измерений - использование для исследования характеристик объекта увеличенного количества длин волн электромагнитного излучения, а именно: инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов, использование при измерениях компенсирующего фонового канала, а также автоматизация процесса измерений.

Указанный технический результат и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечиваются тем, что установка для измерения лазерно-локационных характеристик объектов согласно полезной модели включает поглощающий экран, а также лазерное приемопередающее устройство для передачи и приема сигналов в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн, приемник фонового излучения, отраженного от поглощающего экрана и механизм для подвески и вращения объекта измерения между лазерным приемопередающим устройством и поглощающим экраном, соединенные через интерфейсный порт и/или аналогово-цифровой преобразователь с ЭВМ обработки результатов измерения лазерно-локационных характеристик объектов.

При этом лазерное приемопередающее устройство содержит передающий канал с формирующей оптикой для облучения объекта измерения и приемный канал для приема отраженного лазерного излучения от объекта измерения. Приемный канал для приема отраженного лазерного излучения от объекта измерения в свою очередь содержит блок тепловизоров, блок цифровых камер и блок одноэлементных фотоприемников для приема сигналов в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн. Аналогово-цифровой преобразователь содержит универсальный скоростной многоканальный АЦП/ЦАП логический анализатор. ЭВМ обработки результатов измерения лазерно-локационных характеристик объекта содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения процессор, оперативно запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, вводно-выводное устройство, монитор с сенсорной панелью управления, съемный блок памяти программ измерения, съемный блок памяти исходных данных и съемный блок памяти результатов измерений лазерно-локационных характеристик объекта.

Конструкция предлагаемой установки, включающая поглощающий экран, а также лазерное приемопередающее устройство, приемник фонового излучения, отраженного от поглощающего экрана и механизм для подвески и вращения объекта измерения между лазерным приемопередающим устройством и поглощающим экраном, соединенные через интерфейсный порт и/или аналогово-цифровой преобразователь с ЭВМ обработки результатов измерения лазерно-локационных характеристик объектов, позволяет обеспечить измерение локационных характеристик объектов в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн. Следствием этого является решение поставленной технической задачи и достижение заявленного технического результата.

Выполнение конструктивных элементов предложенной установки на известной элементной базе позволяет дополнительно упростить реализацию установки для измерений лазерно-локационных характеристик объектов.

На фиг.1 представлена функциональная схема установки для измерения лазерно-локационных характеристик объектов; на фиг.2 -функциональная схема ее ЭВМ.

Установка включает поглощающий экран 1, а также лазерное приемопередающее устройство 2 для передачи и приема сигналов в инфракрасном (ИК), видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн, приемник 3 фонового излучения 4, отраженного от поглощающего экрана 1 и механизм 5 для подвески и вращения объекта 6 измерения между лазерным приемопередающим устройством 2 и поглощающим экраном 1, соединенные через интерфейсный порт (для элементов установки с цифровым выходом) и/или через аналогово-цифровой преобразователь 7 (для элементов установки с аналоговым выходом) с ЭВМ 8 обработки результатов измерения лазерно-локационных характеристик объектов 6. Лазерное приемопередающее устройство 2 содержит передающий канал 9 с формирующей оптикой 10 для облучения объекта 6 измерения и приемный канал 11 для приема отраженного лазерного излучения 12 от объекта 6 измерения. Приемный канал 11 содержит блок одноэлементных фотоприемников, блок цифровых камер и блок тепловизоров (на фигуре не показано), обеспечивающих прием отраженных лазерных сигналов в ультрафиолетовом, видимом и ИК - диапазонах электромагнитных волн. Аналогово-цифровой преобразователь 7 (АЦП) содержит универсальный скоростной многоканальный АЦП/ЦАП/логический анализатор, например типа «USB-3000». ЭВМ 7 содержит установленные на двунаправленной активной шине 13 сопряжения процессор 14, оперативно запоминающее устройство 15, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство 16, вводно-выводное устройство 17, монитор 18 с сенсорной панелью управления, съемный блок 19 памяти программ измерения, съемный блок 20 памяти исходных данных и блок 21 памяти результатов измерений лазерно-локационных характеристик объекта 6. Приемник 3 фонового излучения 4 по конструкции аналогичен приемному каналу 11 и ориентирован оптической осью на экран 1. Экран 1 выполнен из поглощающего материала в ультрафиолетовом, видимом и ИК - диапазонах электромагнитных волн и установлен на оптической оси приемопередающего устройств 2 за объектом 6. Объект 6 подвешен на тонких фалах на механизме 5 вращения между экраном 1 и устройством 2.

При этом для сбора и предварительной обработки данных в ходе проведения экспериментальных работ на предложенной установке (фиг.1) используется пакет программного обеспечения "Анализатор USB-3000", введенный в съемную память 19 ЭВМ 8 и позволяющий в режиме реального времени:

- производить сбор данных по восьми каналам с частотой работы АЦП USB-3000 и возможностью внешней синхронизации;

- производить элементарные операции с данными, получаемыми по информационным каналам, и записывать их в виртуальный канал данных;

- решать задачу статистической обработки сигналов по любому из каналов (включая виртуальный) с отсечкой записи по внешнему синхроимпульсу;

Установка для измерения лазерно-локационных характеристик объектов работает следующим образом.

Исследуемый объект 6 подвешивают на механизме 5 вращения с помощью тонких фалов для уменьшения их влияния на результаты измерений. Одновременно к вводно-выводному устройству 17 ЭВМ 8 подключают съемный блок памяти 19 программ измерений для объекта 6. Затем подают электропитание на элементы установки для измерения лазерно-локационных характеристик объектов 6. При этом процессор 14 ЭВМ 8 считывает данные блоков 19 и 20 памяти соответственно программ измерений и исходных данных для измерений лазерно-локационных характеристик объекта 6 в перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство 16. Далее процессор 14 в соответствии с введенной программой измерений выдает командные сигналы на механизм 5 вращения объекта 6, приемопередающее устройство 2 и приемник 3 фонового излучения. При этом объект 6 приходит во вращение в горизонтальной плоскости с периодом T_R секунд на оптической оси приемопередающего устройства 2. Зондирующий луч 22, модулированный по амплитуде частотой F_R2·10³(T_R)^-1 направляется на объект 6 измерения. Оптика 10 передающего канала 9 формирует поле лазерного излучения с равномерной в поперечном сечении интенсивностью и линейными размерами, соответствующими максимальным вертикальному и горизонтальному геометрическим размерам исследуемого объекта 6. Модулированное с частотой F_R излучение Р_с , состоящее из аддитивной суммы отраженного объектом 6 сигнала с мощностью Р_о и рассеянного поглощающим экраном 1 сигнала мощностью P_ф, принимается приемным каналом 11, преобразуется в электрический сигнал, поступает в аналогово-цифровой преобразователь 7 и передается для обработки в ЭВМ 8. При этом в соответствующую ячейку памяти 15 ЭВМ 8 вносится численное значение величины Р_с, определяемое из условия (1)

(1)

Одновременно модулированное фоновое излучение 4, рассеянное поглощающим экраном 1, попадает на вход приемника 3 фонового излучения, сигнал с которого также поступает на АЦП 7 для последующего вычитания в ЭВМ 8 из основного сигнала Р_с. Кроме этого, на АЦП 7 поступает сигнал от устройства 23 контроля мощности лазера для автоматического регулирования усиления электронного тракта передающего канала 9. После обработки на ЭВМ 8 сигналы сохраняются в заданном программой памяти 19 формате для каждого значения угла поворота объекта 6. При этом в памяти 15 ЭВМ 8 формируется зависимость величины отраженного сигнала от угла поворота объекта 6 (диаграмма обратного рассеяния). После регистрации указанной зависимости ЭВМ 8 проводит калибровку приемопередающего устройства 2. При этом на механизм 5 вращения вместо исследуемого объекта 6 устанавливают эталонные отражатели 24 с различными известными значениями эффективной площади рассеяния (ЭПР) электромагнитных волн ультрафиолетового, видимого и ИК - диапазонов. При этом в качестве эталонных отражателей используются плоские диски с диффузным характером отражения, размещаемые перпендикулярно падающему излучению. Их коэффициенты отражения и ЭПР определяются на отдельной измерительной установке и вносятся в съемную память 20 исходных данных ЭВМ 8.

Далее ЭПР объекта рассчитывается в соответствии с выражением:

,(2)

где Р_с - сигнал от объекта;

Р_ф - сигнал от модулированного фона при регистрации сигнала от объекта;

P_эi - сигнал от i-го эталона;

_i - ЭПР i-го эталона;

Р_фi - сигнал от фона при регистрации сигнала от i-го эталона.

Количество эталонных отражателей n выбирается из условия технически реализуемого динамического диапазона измерительной установки с учетом следующих условий:

,(3)

или ,(4)

где ₁ и _n - ЭПР первого и n-го эталонного отражателя;

и - минимальное и максимальное значения измеренных ЭПР объекта.

Таким образом:

,(5)

где - необходимая дискретность значений ЭПР при калибровке, которая выбирается исходя из требуемой точности определения участков диаграммы обратного рассеяния.

В случае проведения измерений характеристик масштабных моделей объектов их эффективная площадь рассеяния пересчитывается в ЭПР реальных объектов

,(6)

где _m - ЭПР модели;

N - ее масштаб относительно реального объекта.

При измерениях на установке для решения задач измерения лазерно-локационных характеристик (ЛЛХ) объектов используют три канала АЦП: фоновый, сигнальный и синхронизации. ЭВМ 8 в соответствии с программой "Анализатор USB-3000" в режиме реального времени производит вычитание сигнального и фонового каналов и запись результатов в виртуальный канал. При этом в качестве эталонных отражателей используются плоские диски с диффузным характером отражения, размещаемые перпендикулярно падающему излучению. Их коэффициенты отражения и ЭПР определяются на отдельной измерительной установке.

Измерение отражательных характеристик объектов с помощью цифровой камеры осуществляется путем выделения изображения объекта и сравнения сигналов, отраженных от его элементов, с уровнем сигналов, отраженных от эталонной миры.

Далее ЭПР объекта определяется по формуле:

,(7)

где U_i,j - яркость пикселя изображения объекта;

U_э - яркость пикселя изображения эталона;

_уд.эт - удельная ЭПР эталона;

S - площадь пикселя изображения.

При использовании тепловизора оценка ЭПР объекта осуществляется на основе сравнения ИК изображения объекта с его активным ИК изображением при подсветке лазерным ИК - излучением.

В этом случае ЭПР объекта определяется соотношением

,(8)

где T_i,j, T_э - яркостная температура пикселя изображения объекта и эталона;

T_i,j, T_э - яркостная температура пикселя изображения объекта и эталона освещенных лазером;

r - поверхностная плотность излучения;

₁, ₂ - границы спектрального диапазона работы тепловизора.

Следовательно, данная измерительная аппаратура обеспечивает получение угловых зависимостей ЭПР объектов без влияния фона и атмосферных искажений.

Полезная модель разработана на уровне экспериментальной установки и программ измерения локационных характеристик объектов.

Источники информации:

1. 1 RU 2329475, кл. GO1J 1/00, 2007.

2. RU 2305852, кл G01S 7/40, G01R 29/08, 2007.

3. RU 95110342, кл. G01R 29/08, 1997.

4. RU 2326400, кл. G01S 13/00, 2008.

5. Непогодин И.А. Отражательные характеристики и информативность признаков (сигнатур) объектов и фонов в лазерной локации.//«Научно-производственное объединение «Государственный институт оптики» (1957-1997 г.г.)»/ под редакцией С.Д.Мирумянца, Часть II, - Казань «Дом печати», 1997. Стр. 428-457.

6. RU 2342672, кл. G01R 29/08, G01S 13/00, 2008.

1. Установка для измерения лазерно-локационных характеристик объектов, включающая поглощающий экран, а также лазерное приемопередающее устройство для передачи и приема сигналов в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн, приемник фонового излучения, отраженного от поглощающего экрана и механизм для подвески и вращения объекта измерения между лазерным приемопередающим устройством и поглощающим экраном, соединенные через интерфейсный порт и/или аналогово-цифровой преобразователь с ЭВМ обработки результатов измерения лазерно-локационных характеристик объектов.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что лазерное приемопередающее устройство содержит передающий канал с формирующей оптикой для облучения объекта измерения и приемный канал для приема отраженного лазерного излучения от объекта измерения.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что приемный канал для приема отраженного лазерного излучения от объекта измерения содержит блок тепловизоров, блок цифровых камер и блок одноэлементных фотоприемников для приема сигналов в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитных волн.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что аналогово-цифровой преобразователь содержит универсальный скоростной многоканальный АЦП/ЦАП/логический анализатор.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ЭВМ обработки результатов измерения лазерно-локационных характеристик объекта содержит установленные на двунаправленной активной шине сопряжения процессор, оперативно запоминающее устройство, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, вводно-выводное устройство, монитор с сенсорной панелью управления, съемный блок памяти программ измерения, съемный блок памяти исходных данных и съемный блок памяти результатов измерений лазерно-локационных характеристик объекта.