Устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) (Н) 2 1 С 01 И 21/4 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТОРСНОМУ С ТЕЛЬСТВ к ибл1 ходомфотоде дав, втор сканирон й к ска также ре л и ч а ю й сч падения ко управления подключенн тектору, а бор, о т нием, вьрующемуистрирующ е е с16и И. Я. Шапирострукторскоеостроения "Опла СО АН СССРпричт свидетельствоССС1 И 21/16, 1971.видетельстно СССР1 У 1/00, 1982 ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РИСТИКИ ПОКАЗАТЕ СФЕРЫ, содержания, фокусируюательно соедифотодетектер, нойповерхностью ти фокусирующей ровой преобразоазования кодов оследовательно яти, схем ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССР10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Специальное конбюро научного прибортика" Томского филиа(54)(57) УСТРОЙСТВОСТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТИОщее источник излучещую линзу, последовненные сканирующийрасположенный приемв фокальной плоскослинзы, аналого- цифватель, блок преобри первый счетчик, псоединенные блок па о, с целью повышения точности,оно снабжено последовательно соединенными обнаружителем сигналов, первым электронным ключом, блоком осреднения, дополнительным блоком памяти и схемой вычитания, а такжевторым электронным ключом, выходкоторого соединен с входом схемывычитания, выход которой подключенк регистрирующему прибору, первомублоку памяти и входу схемы совпадейия кодов, при этом вход обнаружителя сигналов соединен с выходомподключенного к блоку управлениясканирующего фотодетектора, а выхос входом второго электронного ключа, входы электронных ключей соединены с выходом первого счетчика, авход блока осреднения - с выходомвторого счетчика, 1153276Изобретение относится к атмосферной 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 покаэателя 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 1 .Недостатками известных устройств являются низкая точность измерения С и сложность юстировки оптичес 2кой системы. Низкая точность измерений обусловлена влиянием фоновой засветки, которая искажает соотношение между полной интенсивностью светового потока и интенсивностьюсветового потока прошедшего через щель. Кроме того, смещение энергетического центра тяжести светового пятна относительно жестко связанной с оптческой осью щели приводит к значитепьному завышению значения2.измеряемой величины С,. Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения структурной характеристики показа%теля преломления атмосферы, содержащее источник излучения, фокусирующую 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 подключенньд к сканирующему фотодетектору, а такжерегистрирующий прибор 21.Измерение структурной характеристики показателя преломления ат 25 мосферы (С,) с помощью указанногоустройства происходит следующим образом.Световой пучок, сформированныйисточником излучения и прошедщий 10 измерительную трассу в атмосфере,фокусируется линзой в плоскости сканирующего фотодетектора, напримердиссектора с щелевой апертурой,длина которой превышает максималь но возможный размер изображенияисточника. При сканировании раскрывом щели светового пятна, сформированного на фотокатоде диссектора,на аноде формируется видеоимпульс 20 11 с(1) и площадь, ограниченная огибающей видеоимпульса, пропорциональна полному световому потоку, падающему на линзу. Поэтому, интегрируявидеосигнал за период кадровой, раз вертки Т,к, формируют напряжение Ц,пропорциональное полному световомнпотоку ХТки= 1 П,(С)доВ течение второго кадра сканирования (развертки 1 текущее напряжение сравнивается с половиной измеренного в течение первого кадра напряжения У до момента осуществленияравенства351, И) 1 С= - , П.1оВ момент времени 1, щелевая апертура диссектора совмещается вертикальным сечением энергетического центра тяжести изображения источника и производится измерение напряжения, пропорционального световому потоку, прошедшему через щелевую апертуру 1. По измеренному значению 1 щ, отнесенному к полному потоку 1 п. можно определить значениепассос.1.)155гдеП,(2 Й 1=2,9 С;, К ч(2 й)Р - радиус фокчсирующей линзы;волновое число;ЭФ - длина волны источника излученияР - фокусное расстояние фокусирующей линзы;Х - длина измерительной трассы; Ь - ширина щелевой апертуры, При работе н реальной атмосфере отношение Э /1 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 гнПри сканировании щелевой апертурой диссектора измеренный све - товой поток через щель определяется соотношением:1 ц 11 Ь 1а измеренный полный поток - соотношением"н измгде Ь 1, и Ьн - добавки за счет фоновых засветок.ПРичем влиЯние Ь 1 н,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,Тк Ь 1 я, сЬ 1 ы 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 - 25-30 Е, 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 за1 3276 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 б, 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 совпаде 4счет изм ненни отношения 1 /1 яец нфгвязанного с характеристикой турбулентности,Цель изобретения - повышение точности измерений структурной характеристики показателя преломленияатмосферы.Поставленная цель достигается тем,что устройство, содержащее источникизлучения, фокусирующую линзу, последовательно соединенные сканирующийфотодетектор, расположенный приемной поверхностью в фокальной плоскости фокусирующей линзы, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блокпреобразования кодов и первый счетчик, последовательно соединенныеблок памяти, схему совпадения кодов;второй счетчик и блок управления сканированием, выходом подключенный ксканирующему фотодетектору, а такжерегистрирующий прибор, снабжено последовательно соединенными обнаружи"телем сигналов, первым элеКтроннымкпючом, блоком осредненйядополнительным блоком памяти и схемой вычитания, а также вторым электроннымключом, выход которого соединен свходом схемы вычитания, выход которой подключен к регистрирующему прибору, первому блоку памяти и входусхемы совпадения кодов, при этомвход обнаружителя сигналов соединенс выходом подключенного к блокууправления сканирующего фотодетектора, а выход - с входом второгоэлектронного 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, поясняющиеего работу.53276 время, равное длительности импульса обнаружителя (равной длительностивидеоимпульса 1, В течение этого времени текущее значение амплитудывидеоимпульса, подсчитанное по так, там в первом счетчике 6, поступает 40через открытый электронный ключ9 на первый вход схемы 10 вычита-ния, на второй вход которой поступает код, равный среднему уровню фона за такт преобразования.45 50 55 ния кодов, второй счетчик 13, блок14 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 10 вычитания, причем выход фотодетектора 3 подключен к входу обнаружителя 7 сигналов,выход схемы О вычитания кодов подключен к второму входу схемы 12совпадения кодов и к выходу реЖстрирующего прибора 15, второй выходвторого счетчика 13 подключен йвторому входу блока 16 осреднения,а другие входы блока 6 осредценияи схемы 1 О вычитания соединены свыходами первого и второго электронных ключей соответственно. Устройство работает следующимобразом. 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 г)., 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 фото- диода 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 ца блок .5 преобразования кодов, где осуществляется преобразование парал" лельного двоичного кода в число- импульсный код, который накапливается н счетчике 6. 5 10 М 30 При отсутствии видеоимпульсд, т.е. пока выреэывающая апертура диссектора не совместилась с диф ракционцым 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 осреднецпя, 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, нд 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 дифракциоцного изображения источника 1 излучения.Одновременно в блоке 16 осреднения путем депения кола, равного накопленному фону, на код, равный сумме тактовых импульсон, вычисляется средний уровень Фона за такт преобразования развертки 1. Это значение запоминается в блоке 17 памяти ца Очищенная от фона в схеме 1 О вычитания информация цакаливается в блоке 11 памяти и регистрирующем приборе 15. Задний фронтом импульса обнаружителя 7 обнуляется первый счетчик 6, эакрывается ключ 9 и открывается ключ 8. Вэтот момент времени в блоке 1 памяти и в регистри.рующем приборе имеется информация о полной интенсивности 2 дифракционного изображения источника, причем эта информация очищена от Фоновой засветки.В течение следующего кадра цикл измерения фона повторяется, а при срабатывании обнаружителя 7 информация, поступающая с выхода схемы О вычитания, поступает на второй вход схемы 12 совпадения кодов, на первый вход которой поступает половина информации 2./2, запомненной в блоке 11 памятиПри совпадении кодов на выходе схемы 12 совпадения кодов формируется логический перепад, фиксирующий момент времени й, 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 потокав энергетическом центре тяжестиизображения, После преобразованияв блоках 4 и 5 эта информация посл 5 счетчика 6 через открытый ключ 9 поступает на схему 10 вычитания, гдеочищается от фона и затем поступаетв регистрирующий прибор 15.Таким образом, в течение двух 10 кадров в регистрирующем приборе 15происходит запись значений полногосветового потОка 1 и потока 1 через щель, совмещенную с непрерывно отслеживаемым сечением энерге тического центра тяжести дифракционного изображения источника 1,причем как значение 1, так и значение 2 не содержат фоновой составляющей. В регистрирующем прибо- .20 ре 15 вычисляется отношение Й, 1 п/и определяется значение С. Предлагаемое устройство позвоЛя 7 ет повысить точность измерения С,25 эа счет устранения погрешностей,связанных с влиянием фоновых эасветок,1)3276 Дание Составитель С,НепомнящаТехред Л.Микеш дактор М.Келемеш ректор И йи аз 2500 38 лиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная ВНИИПИпо д13035, Мос Тираж 897 осударственного лам изобретении а, Ж,Раушска Подлкомитета СССРи открытийнаб., д, 4/5