Способ обнаружения источников инфракрасного излучения
Владельцы патента RU 2498236:
Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина (ХНУ имени В.Н. Каразина) (UA)
Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано для обнаружения слабых сигналов инфракрасного излучения. Способ заключается в последовательной фиксации поступающего инфракрасного излучения и его преобразовании фотоприемником в электрический сигнал с последующим его усилением и нормализацией маскирующих сигнал шумов и детектированием при возрастающем уровне амплитудной селекции полученной смеси сигнала и нормального шума. Полученные результаты усредняют, сравнивают полученную частоту превысивших заданный уровень селекции импульсов с эталонным значением и по результату сравнения принимают решение о наличии полезного сигнала на входе фотоприемника. В случае регистрации непрерывного инфракрасного излучения поступающее на фотоприемник излучение модулируют с последующим синхронным с частотой модуляции детектированием смеси промодулированного сигнала и шума. Изобретение позволяет повысить чувствительность обнаружения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для обнаружения слабых сигналов инфракрасного излучения (ИК-излучения).
Известен способ обнаружения инфракрасного излучения, включающий модуляцию падающего на болометр ИК-излучения, усиление снятого с болометра сигнала, его синхронное детектирование, фильтрацию и регистрацию, при этом в качестве модулятора используют вращающийся гофрированный диск. (Р.Хадсон. Инфракрасные системы. - М:. Мир, 1972 - стр.161).
Недостатком способа является низкая чувствительность.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ обнаружения источников инфракрасного излучения, заключающийся в том, что фиксируют поступающее на фотоприемник ИК-излучение, преобразуют его фотоприемником в электрический сигнал с последующим усилением и квазиоптимальной фильтрацией полученной смеси электрического сигнала и маскирующего сигнал шума, детектируют и регистрируют полученные результаты, при этом, поступающее на фотоприемник ИК-излучение модулируют перфорированным диском, а квазиоптимальную фильтрацию производят синхронным детектором (Бонч-Бруевич A.M. Радиоэлектроника в экспериментальной физике.- М:. Наука, 1966, с.614-615.), выбранный в качестве прототипа.
Основной недостаток способа - прототипа, малая чувствительность.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение является увеличение чувствительности.
Для решения поставленной задачи в способе обнаружения источников инфракрасного излучения, включающем фиксацию поступающего ИК-излучения и его преобразование фотоприемником в электрический сигнал с последующим усилением и квазиоптимальной фильтрацией полученной смеси электрического сигнала и маскирующего сигнал шума, ее детектирование и регистрацию полученных результатов, согласно изобретению, квазиоптимальную фильтрацию осуществляют нормализацией маскирующего шума, которая осуществляется путем последовательного проведения широкополосной фильтрации, амплитудного ограничения и узкополосной фильтрации смеси сигнала и шума, а детектирование производят амплитудной селекцией полученной смеси отфильтрованного сигнала и нормализованного шума при возрастающем уровне селекции по амплитуде, усредняют частоты выбросов за заданные уровни амплитудной селекции, сравнивают полученные значения средних частот выбросов с эталонными значениями и по результату сравнения судят о наличии полезного сигнала на входе фотоприемника и о наличии объекта инфракрасного излучения.
При этом, в случае регистрации непрерывного ИК-излучения поступающее на фотоприемник непрерывное или квазинепрерывное излучение модулируют с последующим синхронным детектированием смеси промодулированного сигнала и шума, при этом частоту настройки узкополосного фильтра выбирают равной частоте модуляции, а полосу его пропускания выбирают равной нестабильности частоте модуляции. В этом случае перед амплитудной селекцией дополнительно производят синхронное с частотой модуляции детектирование смеси сигнала и шума.
При регистрации периодического или квазипериодического ИК-излучения его модуляцию не производят, а частоту резонанса узкополосного фильтра выбирают равной частоте следования импульсов ИК-излучения, а его полосу пропускания выбирают равной нестабильности (аритмии) частоты следования импульсов ИК-излучения.
Введение новых отличительных признаков в способ обнаружения источников инфракрасного излучения позволило в значительной степени повысить чувствительность способа и обнаруживать полезные сигналы с уровнем ниже уровня маскирующих сигналы шумов.
Осуществляют способ следующим образом. В случае непрерывного излучения, поступающее от термоизлучающего объекта на приемник инфракрасное излучение модулируют. Частоту модуляции устанавливают таким образом, чтобы она совпадала с частотой минимальной спектральной плотности собственных шумов усилителя электрических сигналов. Усиливают смесь сигнала и шума до уровня, достаточного для его фильтрации и детектирования амплитудным детектором. Пропускают поступающую с выхода усилителя смесь сигнала и шума через линейную систему широкая полоса - ограничитель амплитуды - узкая полоса. Этим производят квазиоптимальную фильтрацию поступающей с выхода усилителя смеси полезного сигнала и шума и нормализацию шумов. Производят селекцию по амплитуде выбросов смеси сигнала и шума на выходе нормализатора при возрастающем уровне селекции и регистрируют среднюю частоту выбросов на каждом уровне селекции. Сравнивают полученные соотношения с эталонными и по результатам сравнения принимают решение о наличии и уровне инфракрасного излучения. В случае проведения модуляции поступающего на фотоприемник непрерывного ИК-излучения, перед амплитудной селекцией производят синхронное с частотой модуляции детектирование смеси сигнала и шума. Тем самым дополнительно повышают чувствительность способа.
При импульсном характере излучения тип транзистора и его режим выбирают таким образом, чтобы иметь минимальное значение уровня шума первого каскада усиления сигнала на частоте следования импульсов ИК-излучения.
Для оценки эффективности введения амплитудной селекции воспользуемся выражением для вероятности Р>U того, что выброс шума превысит уровень U
Если представить U через среднеквадратичное значение шума, то 
Где erfc - интеграл ошибок.
В таблице приведены вероятности Р>U для различных значений X
| Таблица | ||||||
| X | 0 | 0,69 | 1 | 2 | 4 | 10 |
| P | 1 | 0,5 | 0,32 | 0,045 | 6×10-5 | 10-22 |
Из таблицы видно, что повышая уровень амплитудной селекции, можно в значительной мере сократить число выбросов шума и этим ослабить его маскирующее воздействие.
В случае использования для нормализации шумов высокодобротного колебательного контура средняя частота выбросов нормального шума с гауссовой спектральной плотностью определится выражением
Зная значение 
При наличии полезного сигнала, справедливость равенства (4) нарушится, поскольку к выбросам, обусловленным гауссовым шумом, добавится импульсы полезного сигнала.
В этом случае соотношение (4) примет вид
где - NИ, частота следования импульсов ИК-излучения. Из выражения (5) видно, что измерение среднего числа выбросов при определенном уровне амплитудной селекции 
На чертеже показана функциональная схема устройства, реализующего данный способ.
Устройство содержит модулятор 1, приемник инфракрасного излучения 2, усилитель 3, квазиоптимальный фильтр - нормализатор, включающий широкополосный фильтр 4,ограничитель амплитуды 5, узкополосный фильтр 6, вольтметр среднеквадратичного значения напряжения 7, селектор импульсов по амплитуде 8 и частотомер электронно-счетный 9.
Устройство работает следующим образом.
Если на приемник не поступает инфракрасное излучение, то усилитель будет усиливать собственные шумы устройства, которые, поступая на нормализатор, возбудят в нем квазигармонические колебания со средней частотой.
где f - частота резонанса нормализатора, Δf - полоса пропускания нормализатора.
Эти колебания поступают на вход амплитудного селектора, который в зависимости от установленного уровня селекции х пропустит на вход частотомера импульсы с частотой
где 
В этом случае показания частотомера будут соответствовать выражению (7). Если на приемник поступает непрерывное инфракрасное излучение, оно будет промодулировано модулятором и приобретет модуляцию с частотой f. Электрический сигнал, вызванный промодулированным инфракрасным излучением, совместно с шумом поступит на нормализатор и засинхронизирует колебания узкополосного контура частотой модуляции.
В этом случае, при возрастании уровня селекции, средняя частота импульсов на выходе амплитудного селектора будет соответствовать частоте модуляции до тех пор, пока уровень амплитудной селекции не превысит амплитуду колебаний сигнала, вызванного промодулированным инфракрасным излучением. Справедливость выражения (6) нарушится.
Отклонение показаний частотомера при уровнях селекции ниже уровня сигнала, вызванного инфракрасным излучением, от значений, найденного по выражению (6), свидетельствует о наличии инфракрасного излучения.
В случае регистрации импульсного периодического ИК-излучения его модуляцию не производят, а узкополосный фильтр настраивают на частоту следования ИК-излучения.
Для надежной регистрации слабого ИК-излучения необходимо производить предварительную обработку маскирующих его шумов с использованием последовательного проведения широкополосной частотной фильтрации, ограничения максимального уровня выбросов шума и его приведения к нормальному (гауссову) закону распределению путем пропускания через узкополосный фильтр. Проведенная после этого амплитудная селекция на регулируемом уровне, позволяет с заданной вероятностью избавиться от нормализованной помехи и фиксировать слабое ИК-излучение.
Обработка слабого ИК-излучения по предложенному способу обеспечивает возможность регистрировать в реальном масштабе времени ИК-излучение с уровнем значительно меньшим, чем уровень маскирующих его шумов, что обеспечивает существенный технико-экономический эффект от использования предложенного способа.
Реализующее данный способ устройство, функциональная схема которого показана на рисунке, позволяет обнаруживать объекты ИК-излучения при уровнях сигнала на входе фотоприемника вдвое меньших, чем среднеквадратичное значение напряжения маскирующих сигнал шумов, что не доступно другим устройствам, работающих в реальном масштабе времени.
1. Способ обнаружения объектов инфракрасного излучения, включающий фиксацию поступающего инфракрасного излучения и его преобразование в электрический сигнал при помощи фотоприемника с последующим усилением и квазиоптимальной фильтрацией полученной смеси электрического сигнала и маскирующего сигнал шума, ее детектирование и регистрацию полученных результатов, отличающийся тем, что квазиоптимальную фильтрацию осуществляют нормализацией маскирующего шума, для чего последовательно производят широкополосную фильтрацию, ограничение амплитуды шумовых выбросов на выходе широкополосного фильтра и их узкополосную фильтрацию, с последующим амплитудным детектированием при возрастающем уровне амплитудной селекцией полученной смеси отфильтрованного сигнала и нормализованного шума, усредняют частоты выбросов за заданные уровни амплитудной селекции, сравнивают полученные значения средних частот выбросов с эталонными значениями и по результату сравнения судят о наличии полезного сигнала на входе фотоприемника и о наличии объекта инфракрасного излучения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в случае регистрации непрерывного инфракрасного излучения поступающее на фотоприемник непрерывное или квазинепрерывное излучение модулируют с последующим синхронным с частотой модуляции детектированием смеси промодулированного сигнала и шума, при этом частоту настройки узкополосного фильтра выбирают равной частоте модуляции, а синхронное детектирование производят перед амплитудной селекцией.
