Устройство для малоракурсной томографической диагностики параметров индуцированных плазменных образований в условиях ближнего космоса
Владельцы патента RU 2675079:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" (RU)
Изобретение относится к оптической томографии, физике космических лучей и может быть использовано для определения трехмерных функций распределения различных параметров низкотемпературной плазмы, индуцированной газовым разрядом вокруг исследуемого объекта в условиях влияния космических факторов на околоземных орбитах. В качестве объекта исследования может выступать биологический объект, конструкционный, полупроводниковый элемент, образец жидкой смазки. Устройство представляет собой малоракурсную оптическую томографическую систему и состоит из модуля сбора и обработки исходных проекционных данных, размещенного на борту наноспутника, и вычислительного модуля, расположенного на Земле. На борту наноспутника производится пересчет исходных 2D проекций из декартовой сетки в полярную и осуществляется усечение данных до требуемого формата. На Земле недостающие проекции доопределяются с помощью процедур интерполяции по кольцевым гармоникам, методом обратного проецирования с фильтрацией (свертка во временной области) восстанавливаются искомые распределения в параллельных плоскостях. Полученные трехмерные распределения отображаются в виде стереоскопических изображений их изопараметрических поверхностей. Технический результат – возможность восстановления трехмерного распределения параметров индуцированной плазмы. 4 ил.
Изобретение относится к оптической томографии, физике космических лучей и может быть использовано для определения трехмерных функций распределения различных параметров низкотемпературной плазмы, индуцированной газовым разрядом (локальных концентраций электронной и ионной компонент, температуры, интенсивности свечения и т.д.) вокруг исследуемого объекта в условиях влияния космических факторов (солнечный ветер, космические лучи) на околоземных орбитах. В качестве объекта исследования может выступать биологический объект, конструкционный, полупроводниковый элемент, образец жидкой смазки.
Индуцированное излучение физических объектов, помещаемых во внешние переменные электрические поля, является разновидностью электролюминесценции - излучения света атомами или молекулами, переведенными предварительно в возбужденное состояние электромагнитным переменным полем. Различные виды газовых разрядов являются весьма информативными для диагностических целей применительно к объектам различной природы. Информационная способность индуцированных плазменных образований определяется пространственными параметрами таких функций распределения как: локальные концентрации электронной и ионной компонент, температуры, спектральный состав и т.д. Представляет особый интерес исследование газового разряда объектов различной природы в зоне ближнего космоса вследствие наличия космических факторов - потоков высокоэнергетических протонов, электронов, гамма и рентгеновских квантов, влияние которых на объекты живой и неживой природы крайне негативно.
Основными целями разработки новых устройств регистрации газоразрядного свечения являются: получение трехмерной информации об исследуемых функциональных распределениях параметров плазменного образования, повышение чувствительности устройства, увеличение разрешающей способности. В настоящее время для индуцированных газовых разрядов не существует адекватного и объективного метода трехмерной реконструкции функций распределения вышеназванных параметров.
Известно устройство газоразрядной визуализации изображения, включающее электрод, формирующий электрическое поле, диэлектрик, изолирующий объект исследования, и телевизионную камеру, отличающееся тем, что диэлектрик и электрод представляют собой оптически прозрачный материал. При этом электрод расположен между диэлектриком и телевизионной камерой (патент №2110824 МПК G03В 41/00, G03G 17/00, опубликованный 10.05.1998 г.). Основным недостатком устройства является невозможность восстановления трехмерного распределения параметров индуцированной плазмы, т.к. используется всего одна двумерная проекция изображения плазменного образования.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, - устранение данного недостатка.
Данная задача решается за счет того, что устройство для малоракурсной томографической диагностики параметров индуцированных плазменных образований в условиях ближнего космоса, содержащее оптически прозрачный электрод, объект исследования, расположенный между оптически прозрачной диэлектрической пластиной и оптически непрозрачным электродом, расположенным снизу, имеет в своем составе наноспутник с входным окном для космического излучения, в котором установлена газоразрядная камера, непрозрачный электрод, оптическая система, состоящая из пяти цифровых микроскопов, фиксирующих пять проекций одновременно, и микропроцессорное устройство, также устройство содержит наземный вычислительный кластер, при этом микропроцессорное устройство установлено с возможностью формирования массива данных для передачи в наземный вычислительный кластер, который, в свою очередь, установлен с возможностью доопределения недостающих проекций, воспроизведения трехмерной реконструкции функций распределения параметров плазменного образования и стереоскопического представления этих трехмерных функций в виде изопараметрических поверхностей
Для решения поставленной задачи необходимо предусмотреть несколько устройств регистрации изображения, микропроцессорное устройство для первичной обработки полученных проекционных данных. Данная задача решается с применением методов и средств малоракурсной томографии и сводится к выполнению следующих процедур:
- получение пяти двумерных проекций в оптическом диапазоне;
- доопределение исходных данных до объемов, позволяющих реконструировать искомые распределения в заданных форматах;
- реконструкция искомых функциональных распределений с помощью быстродействующих сверхточных алгоритмов;
- представление полученных трехмерных массивов в виде набора изопараметрических поверхностей.
Новизна задачи состоит также в том, что получение исходных проекционных данных о плазменном объекте осуществляется на борту наноспутника. Это дает возможность проанализировать влияние космических факторов (солнечный ветер, космические лучи) на изменение параметров индуцированных плазменных образований.
Устройство представляет собой малоракурсную оптическую томографическую систему и состоит из модуля сбора и обработки исходных проекционных данных, размещенного на борту наноспутника, и вычислительного модуля, расположенного на Земле.
Техническая сущность и принцип работы устройства поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - эскизный чертеж модуля сбора и обработки исходных проекционных данных.
Конструкция модуля содержит: стандартный корпус формата 1U (10×10×10) см3 1, газоразрядную камеру 2, пять малогабаритных цифровых микроскопов 3, стекловолоконные план-шайбы 4, плату контроллеров микроскопов 5, плату микропроцессорного устройства управления 6, термостат 7, плату контроллера электропитания 8, аккумуляторные батареи 9, плату высоковольтного источника питания 10, экранирующую пластину высоковольтного отсека 11, оптически прозрачную диэлектрическую пластину 12, исследуемый объект 13, входное окно 14, оптически непрозрачный электрод 15, оптически прозрачный электрод 16.
Фиг. 2 - структурная схема малоракурсной оптической томографической системы.
В состав модуля сбора и обработки исходных проекционных данных входят: пять малогабаритных цифровых микроскопов 3, пять контроллеров микроскопов 17, пять ПЗУ 18, микропроцессорное устройство управления 19, центральное ПЗУ 20, приемопередатчики 21-22, антенны 23 и 34, высоковольтный источник питания 24, импульсный источник питания 25, бортовой контроллер электропитания 26, аккумуляторные батареи 9, солнечные панели 27, блок управления ионно-плазменными двигателями 28, ионно-плазменные двигатели 29. В состав вычислительного модуля входят: антенна 30, приемопередатчик 31, вычислительный кластер 32, устройство отображения 33.
На фиг. 3 приведена компоновка наноспутниковой платформы, на которой размещен модуль сбора и обработки исходных проекционных данных. На фиг. 4 изображен вид наноспутниковой платформы со стороны входного окна - коллиматора для потоков космического излучения.
Модуль сбора и обработки исходных проекционных данных размещен на наноспутнике в стандартном корпусе формата 1U (10×10×10) см3 1. Основной конструктивный элемент модуля - дюралюминиевая газоразрядная камера 2, заполненная смесью инертных газов, - выполнена в форме усеченной четырехгранной пирамиды, имеющей утолщения в боковых гранях, в которых сделаны отверстия и нарезана резьба. В эти отверстия установлены пять малогабаритных цифровых микроскопов 3 в дюралюминиевых корпусах с внешней резьбой. Установлены они таким образом, что торцевые плоскости их тубусов касаются некоей воображаемой полусферы с центром в месте расположения исследуемого объекта 13. На чертеже показаны только три микроскопа, остальные два расположены на передней и задней гранях (относительно наблюдателя) под теми же самыми углами к основанию. На торцах микроскопов установлены стекловолоконные планшайбы 4 для реализации геометрии плоско-параллельного проецирования. Над газоразрядной камерой установлены плата контроллеров микроскопов 5 (включающая в себя непосредственно контроллеры микроскопов 17 и ПЗУ для промежуточного хранения данных 18), плата микропроцессорного устройства управления 6 (со встроенным центральным ПЗУ 20). Высоковольтный отсек с платой высоковольтного источника питания 10 ограничен снизу экранирующей пластиной высоковольтного отсека 11, а сверху - коробкой-термостатом 7. Коробка-термостат 7 служит для термостабилизации платы контроллера электропитания 8 с аккумуляторными батареями 9.
Электрическое поле, стимулирующее электронную эмиссию с поверхности исследуемого объекта 13, создается между оптически прозрачным электродом 16 и оптически непрозрачным электродом 15. Объект исследования 13 расположен между оптически прозрачной диэлектрической пластиной 12 и оптически непрозрачным электродом 15, расположенным снизу. Верхний электрод 16 и диэлектрическая пластина 12 выполнены оптически прозрачными для того, чтобы избежать затенения части изображения, получаемого цифровыми микроскопами 3. Входное окно 14 предназначено для прохождения внутрь газоразрядной камеры космического излучения.
Для возникновения газового разряда в промежутке между исследуемым объектом 13 и диэлектрической пластиной 12 необходимо наличие высокого напряжения импульсного характера, которое вырабатывается высоковольтным источником питания 24, подающим на электроды 15 и 16 напряжение, регулируемое в пределах 2…20 кВ.
Напряжение, подающееся на ключевые элементы высоковольтного источника питания, обеспечивается регулируемым импульсным источником питания 25. Бортовой контроллер электропитания 26 размещается на плате 8 вместе с аккумуляторными батареями 9, которые накапливают электрическую энергию, полученную от солнечных панелей 27.
Малоракурсная оптическая томографическая система работает следующим образом. По сигналу микропроцессорного устройства управления 19 одновременно все пять микроскопов 3 делают двумерные снимки, содержащие двумерные проекции. Увеличенное изображение проецируется на ПЗС-матрицу каждого микроскопа, и первичные проекционные данные записываются каждым из пяти контроллеров микроскопов 17 в свою промежуточную память ПЗУ 18. Далее микропроцессорное устройство управления 19 посылает сигнал остановки в высоковольтный источник питания 24, чтобы прекратить формирование высоковольтных импульсов до начала следующего цикла получения данных. По готовности микропроцессорного устройства управления 19 к обработке первичных проекционных данных происходит их считывание из пяти ПЗУ 18, и запускается процесс преобразования. Исходные 2D массивы данных, являющиеся проекциями, полученными в сферо-тангенциальной геометрии, заданы в декартовой системе координат. С целью уменьшения объемов исходных данных, передаваемых по каналу связи, на борту наноспутника производится пересчет исходных 2D проекций из декартовой сетки в полярную и осуществляется усечение данных до требуемого формата. Таким образом, каждому диаметру 2D проекции, переопределенной на полярной сетке, соответствует одномерная проекция, полученная в определенном ракурсе.
Получившийся одномерный массив проекционных данных записывается в центральное ПЗУ 20 и хранится в нем до отправления в приемопередатчик 21 по его готовности к сеансу телеметрической связи. Первичные проекционные данные преобразуются в радиосигнал, который излучается антенной 23. Принятый наземной антенной 30 радиосигнал преобразуется приемопередатчиком 31 в одномерный массив цифровых данных, поступающий в вычислительный кластер 32, где он обрабатывается в несколько этапов. Одномерный массив предварительно восстанавливается до «исходных» двумерных проекций, заданных на полярных сетках. Затем 2D-функции проекций нормируются для выравнивания энергии сигнала. Далее осуществляются одномерные преобразования Фурье, и полученные 1D Фурье-образы распределяются в Фурье-пространстве. Недостающие проекции доопределяются с помощью процедур интерполяции по кольцевым гармоникам. Для выполнения процедур интерполяции задаются сферические Фурье-гармоники, представляющие собой комбинации кольцевых гармоник. В конце производятся обратные одномерные преобразования Фурье и методом обратного проецирования с фильтрацией (свертка во временной области) восстанавливаются искомые распределения в параллельных плоскостях. Полученные трехмерные распределения отображаются устройством отображения 33 в виде стереоскопических изображений их изопараметрических поверхностей.
Приемопередатчик 22 и антенна 34 используются для передачи управляющих сигналов. Блок управления ионно-плазменными двигателями 28 используется для управления ионно-плазменными двигателями 29, которые позволяют менять ориентацию наноспутника в пространстве.
Устройство для малоракурсной томографической диагностики параметров индуцированных плазменных образований в условиях ближнего космоса, содержащее оптически прозрачный электрод, объект исследования, расположенный между оптически прозрачной диэлектрической пластиной и оптически непрозрачным электродом, расположенным снизу, отличающееся тем, что имеет в своем составе наноспутник с входным окном для космического излучения, в котором установлена газоразрядная камера, непрозрачный электрод, оптическая система, состоящая из пяти цифровых микроскопов, фиксирующих пять проекций одновременно, и микропроцессорное устройство, также устройство содержит наземный вычислительный кластер, при этом микропроцессорное устройство установлено с возможностью формирования массива данных для передачи в наземный вычислительный кластер, который, в свою очередь, установлен с возможностью доопределения недостающих проекций, воспроизведения трехмерной реконструкции функций распределения параметров плазменного образования и стереоскопического представления этих трехмерных функций в виде изопараметрических поверхностей.
