Устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее источник излучения, фокусирующую линзу, последовательно соединенные сканирующий фотодетектвр, расположенный приемной поверхностью в фокальной плоскости фокусирующей линзы, аналого-цифровой преобразователь , блок преобразования кодов и первый счетчик, последовательно соединенные блок памяти, схему совпадения кодов, второй счетчик и блок управления сканированием, выходом подключенный к сканирующему фотодетектору , а также регистрирующий прибор , отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено последовательно соединенными обнаружителем сигналов, первым электронным ключом, блоком осреднения , дополнительным блоком памяти и схемой вычитания, а также вторым электронным ключом, выход которого соединен с входом схемы вычитания, выход которой подключен к регистрирующему прибору, первому блоку памяти и входу схемы совпадения кодов, при этом вход обнаружи (Л теля сигналов соединен с выходом подключенного к блоку управления сканирующего фотодетектора, а выходс входом второго электронного ключа , входы электронных ключей соединены с выходом первого счетчика, а вход блока осреднения - с выходом второго счетчика.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1)9) (I )1

27 А

4(s)) G 0l N 21/4) ВСЕСО ОЯЖЛЯ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

LEMBQTEEA

Н АВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

110 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3588372/18-25 (22) 06.04.83 (46) 30.04.85. Бюл. ))- 16 (72) В.Ф.Барышников и И.Я. Шапиро (71) Специальное конструкторское бюро научного приборостроения "Оптика" Томского филиала СО АН СССР (53) 551.508.9(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

)) - 386325, кл. G 0) N 21/16, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

N - 934427, кл. G 01 W 1/00, 1982 (прототип). (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее источник излучения, фокусирующую линзу, последовательно соединенные сканирующий фотодетектер, расположенный приемной поверхностью в фокальной плоскости фокусирующей линзы, аналого- цифровой преобразователь, блок преобразования кодов и первый счетчик, последовательно соединенные блок памяти, схему совпадения кодов, второй счетчик и блок управления сканиронанием, выходом подключенный к сканирующему фотодетектору, а также регистрирующий прибор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено последовательно соединенными обнаружителем сигналов, первым электронным ключом, блоком осреднения, дополнительным блоком памяти и схемой вычитания, а также вторым электронным ключом, выход которого соединен с входом схемы вычитания, выход которой подключен к регистрирующему прибору, первому блоку памяти и входу схемы совпадейия кодов, при этом вход обнаружителя сигналов соединен с выходом подключенного к блоку управления сканирующего фотодетектора, а выходс входом второго электронного ключа, входы электронных ключей соединены с выходом первого-счетчика, а вход блока осреднения — с выходом второго счетчика, ll53276

Изобретение относитс я к атмосрерной оптике и может быть использовано для измерения оптических характеристик атмосферы, а также для исследования степени разрушения когерентности оптических пучков при распространении в атмосфере.

Известны устройства для измерения структурной характеристики по2 каэателя преломления атмосферы (Сц), содержащие источник излучения, фокусирующую линзу в фокальной плоскости которой размещена вертикальная щель и фотоприемник, соединенные с блоком регистрации среднего светового потока. Физической основой измерений указанными устройствами является изменение когерентности световой волны при распространении в турбулентной атмосфере, что приводит к размытию дифракционного пятна в фокусе линзы.. Степень уменьшения когерентности поля определяют по величине уменьшения светового потока через вертикальную щель, расположенную в энергетическом центре тяжести дифракционного пятна flJ .

Недостатками известных устройств являются низкая точность измерения

С„ и сложность юстировки оптической системы. Низкая точность измерений обусловлена влиянием фоновой засветки, которая искажает соотношение между полной интенсивностью светового потока и интенсивностью

50 — 3g ехр -D,(2Qjg (l ) о (пассос -g(f )l

55 где

П, (2 ) =2,9 С;, К ч (2 Rj светового потока прошедшего через щель. Кроме того, смещение энергетического центра тяжести светового пятна относительно жестко связанной с оптической осью щели приводит к значитепьному завышению значения

2 .измеряемой величины С,„.

-Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения структурной характеристики показа% ° теля преломления атмосферы, содержащее источник излучения, фокусиру— ющую линзу, последовательно соединенные сканирующий фотодетектор (диссектор), расположенный приемной поверхностью в фокальной плоскости фокусирующей линзы, аналого-цифровой, преобразоватепь, блок преобразования кодов и первый счетчик. последовательно соединенные блок памяти, схему совпадения кодов, второй счетчик и блок управления сканированием, выходом подключенный к сканирующему фотодетектору, а также регистрирующий прибор (2) .

Измерение структурной характеристики показателя преломления ат2

5 мосферы (С ) с помощью указанного устройства происходит следующим образом.

Световой пучок, сформированный источником излучения и прошедший измерительную трассу в атмосфере, фокусируется линзой в плоскости сканирующего фотодетектора, например диссектора с щелевой апертурой, длина которой превышает максималь15 но возможный размер изображения источника. При сканировании раскрывом щели светового пятна, сформированного на фотокатоде диссектора, на аноде формируется видеоимпульс

20 Uc(t) и площадь, ограниченная огибающей видеоимпульса, пропорциональна полному световому потоку, падающему на линзу. Поэтому, интегрируя видеосигнал за период кадровой. развертки Т.z, формируют напряжение U пропорциональное полному световом потоку 3>

Тк

U„= J U,(C)de о

В течение второго кадра сканирования (развертки1 текущее напряжение сравнивается с половиной измеренного в течение первого кадра напряжения U äî момента осуществления равенства

I V, (e) de= — П,.

1 о

В момент времени, щелевая апертура диссектора совмещается верти40 кальным сечением энергетического центра тяжести изображения источника и производится измерение напряжения, пропорционального световому потоку, прошедшему через щелевую апертуру I По измеренному значению Хш, отнесенному к полному потоку Iä. можно определить значение

Р— радиус фокчсирующей линзы; !

<=. волновое число;

Э длина волны источника излучения!

F — фокусное расстояние фокусирующей линзы;

Х вЂ” длина измерительной трассы;

6 — ширина щелевой апертуры.

При работе н реальной атмосфере отношение 3 /Х„ меняется за счет влияния фоновых засветок, обусловленных фоном дневного или ночного неба, или фоном от других источников света, что приводит к значительным погрешностям при измерении ,.г н

При сканировании щелевой апертурой диссектора измеренный све— товой поток через щель определяется соотношением

3 = 1 . .„! изм "ы, " ц.q>, y а измеренный полный поток — соотношением

3 низм н 4 и, где 1 1 . и йХн — добавки за счет фоновых засветок.

Причем влияние ьХн,р на изменение

У /1„ очень велико, так как зта добанка накапливается в течение всего кадра, а размер изображения всегда меньше длительности кадра, т.е. т„

6Iн сp r - — 4Iq. ср.

При отношении сигнал/шум, равном 5, и при условии, что в кадре из 256 дискретов "изображение занимает 100 дискретов, легко установить, что погрешность при измерении

Л, /Х„ составляет 25-ЗОЕ. При увелйчении фоновых засветок, которые уменьшают отношение сигнал/шум, и при уменьшении размера изображения погрешность возрастает. При сканировании светового пятна за период кадровой развертки на выходе диссектора формируется видеосигнал, пропорциональный интенсивностям фокального.светового пятна и фоновой засветки. Причем при длительных суточных измерениях С„ уровень фоновой засветки меняется. Это приводит к постоянно меняющейся погрешности при измерениях структурной постоянной показателя преломления атмосферы за

153?76!

15

Устройство содержит источник 1 излучения, фокусирующую линзу 2, в фокальной плоскости которой расположена приемная поверхность сканирующего фотодетектора 3, соединенного с последовательно расположенными АЦП 4, блоком 5 преобразования кодов, первый счетчиком 6, а также с обнаружителем 7 сигналов, подключенным к вторым входам двух электронных ключей 8 и 9, первые входы которых соединены с выходом первого счетчика 6, последовательно соединенные схему 10 вычитания кодов, блок 11 памяти, схему 12 совпаде4 счет изм ненни отношения 1 /I яе ц c вязанного (- характеристикой турбулентности.

Цель изобретения — повышение точности измерений структурной характеристики показателя преломления атмосферы.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее источник излучения, фокусирующую линзу, последовательно соединенные сканирующий фотодетектор, расположенный приемной поверхностью в фокальной плоскости фокусирующей линзы, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок преобразования кодов и первый счетчик, последовательно соединенные блок памяти, схему совпадения кодов, второй счетчик и блок управления сканированием, выходом подключенный к сканирующему фотодетектору, а также регистрирующий прибор, снабжено последовательно соединенными обнаружи" телем сигналов, первым электронным ключом, блоком осредненйя,,дополнительным блоком памяти и схемой вычитания, а также вторым электронным ключом, выход которого соединен с входом схемы вычитания, выход которой подключен к регистрирующему прибору, первому блоку памяти и входу схемы совпадения кодов, при этом вход обнаружителя сигналов соединен с выходом подключенного к блоку управления сканирующего фотодетектора, а выход — с входом второго электронного ключа, входы электронных ключей соединены с выходом первого счетчика, а вход блока осреднения — с выходом второго счетчика.

На фиг. представлена структурная схема устройства; на фиг. 2— временные диаграммы, поясняющие его работу.

1153276 ния кодов, в" îðîé r.÷eò÷èê 13, блок

14 управления, выходом подключенный к фотодетектору 3, а также регистрирующий прибор 15 и последонательно соединенные блок 16 осреднения и дополнительный блок 17 памяти, выходом подключенный к второму входу схемы IO вычитания, причем выход фотодетектора 3 подключен к входу обнаружителя 7 сигналов, выход схемы IО вычитания кодов подключен к второму входу схемы 12 совпадения кодов и к выходу реЖстрирующего прибора 15, второй выход второго счетчика 13 подключен к второму входу блока 16 осреднения, а другие входы блока !6 осреднения и схемы 10 вычитания соединены с выходами первого и второго электронных ключей соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок, сформированный источником 1 излучения и прошедший . турбулентную атмосферу, фокусируется линзо! 2 в приемной плоскости сканирующего фотодетектора 3, например диссектора с щелевой апертурой. В блоке 14 управления формируется напряжение кадровой развертки (фиг. 2, кривая а), импульсы тактовой частоты (фиг. 2, кривая в) и кадровые синхроимпульсы (фиг. 2, кривая r)., с помощью которых осуществляется привязка во времени работы всех блоков устройства. Формируемый на выходе фотодетектора (диссектора) 3 при сканировании дифракционного изображения видеосигнал (фиг. 2, кривая 3 ) в виде импульсов положительной полярности с частотой кадров поступает на вход

АЦП 4, работающего по схеме нераэрядного кодирования; вместе с ним на вход АЦП 4 поступает сигнал, обусловленный фоновой засветкой фотодиода диссектора 3. После преобразования с выхода АЦП 4 информация о распределении интенсивности в дифракционном изображении и об уровне фоновой засветки в виде двоичного параллельного кода поступает на блок 5 преобразования кодов, где осуществляется преобразование парал" лельного двоичного кода в числоимпульсный код, который накапливается н счетчике 6. время, равное длительности импуль35 са обнаружителя (равной длительности видеоимпульса). В течение этого времени текущее значение амплитуды видеоимпульса, подсчитанное по так, там в первом счетчике 6, поступает

40 через открытый электронный ключ

9 на первый вход схемы !О вычитания, на второй вход которой поступает код, равный среднему уровню фона за такт преобразования.

5

При отсутствии видеоимпульса, т.е. пока выреэывающая апертура диссектора не совместилась с дифракционным изображением, на вторые входы электронных ключей 8 и 9 поступает с обнаружителя сигнал низкого уровня,. который открынает ключ 8 и закрывает ключ 9. Код, пропорциональный накопленному за время сканирования фону, поступает н блок 16 осредненпя, на второй вход которого поступает текущая сумма тактовых импульсов с выхода счетчика 13. При совмещении нырезынающей апертуры диссектора с краем дифракционного изображения срабатывает обнаружитель 7, на выходе которого формируется положительный прямоугольный импульс, передним фронтом которого закрывается электронный ключ 8 и открывается электронный ключ 9. Синхроимпульс обнаружителя, соответствующий переднему фронту, очищает первый счетчик 6, подготовив его к накоплению данных о распределении интенсивности н сечении дифракционного изображения источника 1 излучения.

Одновременно в блоке 16 осреднения путем депения кода, равного накопленному фону, на код, равный сумме TBKToBblx импульсон, вычисляется .средний уровень фона за такт преобразования развертки). Это значение запоминается в блоке 17 памяти на

Очищенная от фона в схеме 10 вычитания информация накаливается в блоке 11 памяти и регистрирующем приборе 15. Задним фронтом импульса обнаружителя 7 обнуляется первый счетчик 6, эакрывается ключ 9 и открывается ключ 8. В этот момент времени в блоке )1 памяти.и в регистрирующем приборе имеется информация о полной интенсивности 2„ дифракционного изображения источника, причем эта информация очищена от фоновой засветки.!

153276

В течение следующего кадра цикл измерения фона повторяется, а при срабатывании обнаружителя 7 информация, поступающая с выхода схемы

l 0 вычитания, поступает на второй вход схемы 12 совпадения кодов, а первый вход которой поступает половина информации 2„./2, запомненной в блоке 11 памяти..При совпадении кодов на выходе схемы 12 совпадения кодов формируется логический перепад, фиксирующий момент времени t» в который совмещается сканирующая щелевая апертура фотодетектора 3 с сечением энергетического центра тяжести иэображения источника 1. Этот перепад запрещает счет тактовых импульсов, который производится во втором счетчике 13 от начала кадра до появления логического перепада на выходе схемы 12 совпадения кодов.

По окончании счета на блок 14 управления с выхода счетчика 13 поступает импульс запрета эарвертки и до конца кадра с фотодетектора 3 на блок АЦП 4 и обнаружитель 7 поступает сигнал,. прямо пропорциональный интенсивности светового потока в энергетическом центре тяжести изображения. После преобразования в блоках 4 и 5 эта информация посл

5 счетчика 6 через открытый ключ 9 поступает на схему 10 вычитания, где очищается от фона и затем поступает в регистрирующий прибор 15.

Таким образом, в течение двух кадров в регистрирующем приборе 15 происходит запись значений полного светового потОка .Х„ и потока Х через щель, совмещенную с непрерывно отслеживаемым сечением энерге15 тического центра тяжести дифракционного изображения источника 1, причем как значение Л„, так и значение Z не содержат фоновой составляющей. В регистрирующем прибо2О ре 15 вычисляется отношение I+, Тп

7 и определяется значение С„.

Предлагаемое устройство позвоЛя2 ет повысить точность измерения С>

25 эа счет устранения погрешностей, связанных с влиянием фоновых эасветок.

Составитель С,Непомнящая

Техред Л.Микеш

Редактор М.Келемеш

Корректор И.Эрдейи

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 2500/38 Тираж 897

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35,Раушская наб., д. 4/5