Устройство для определения коорди-hat и энергии источника излучения

О П Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 0%0779 (21) 2793136/18-25 с присоединением заявки йо РЦм, кл,С 01 У 1/04(23) Приоритет Государствениый комитет СССР яо дедам изобретеииЯ и открытий) УСТ СТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ НЕРГИИ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯз мерите стройст ат и эне Изобретение относится к и л ной технике, в частности к у вам для определения координ р гии источников излучения.Известно устройство для определения координат источника (злучения, состоящее из системы формирования изображения, растрового модуляторного диска, установленного в предметной плоскости системы формирования изображения, фотоприемника и анализи рующего электронного блока. Координату источника излучения определяют по Фазе модулированного растровым ди ком сигнала с фотоприемникаЦ .Однако в этом устройстве точность определения координат лимитирует точность определения, фазы сигнала электронным анализирующйм блоком и составляет1 от величины угла обзора. Недостатком также является невозможность измерения координаты импульсного источника разового действия. Частота повторения импульсов излучения является достаточно высокойНаиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для определения координат и энергии источника,состоящее из системы формирования изобоажения (широкоугольной оптическойсистемы), источника излучения и коо 1 удинатно-чувствительного приемникапараллельного действия. Определениекоординат и энергии быстроменяющегося источника излученйя, координатыкоторого неизвестны, в широком полезрения, возможно только в устройст ве с достаточно широкоугольной оптической системойс координатно-чувствительным приемником параллельногодействия 23 .Однако координатно-чувствительные 5 приемни)и параллельного действия(т.е. фотоприемники, в которых регистрация излучения происходит одновременно на всем рабочем поле) обладают ограниченной разрешающей спо собностью и ограниченным диапазономрегистрируемых энергий. Предел разрешающей способности таких координатно-чувствительных приемников обусловлен случайными процессами рассеяния 25 Фотонов и диффуэией фотоэлектронов вчувствительном слое. Для таких фотоприемников, как фотопленка, случайный характер расположенияи минимальные размеры зерен также ограничива ют разрешение. Также недостатком иэ50 вестного устройства является зависимость точности определения координат от энергии источника. При избыточной экспозиции изображение точеч- ного источника распыливается,появляются ореолы, Й точность определения координат значительно ухудшается.Таким образом, известное устройство не позволяет одновременно определять координаты и энергию источника излучения в широком поле зрения, в большом динамическом диапазоне. и с необходимой точностью.Цель изобретения - повышение точности одновременного определения координат и энергии источника излучения.Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения координат и энергии источника излучения, содержащем систему формирования изображения, координатно чувствительный приемник и анализатор изображения, включающий фильтр пространственных частот, введен рассеиватель с плоской индикатриссой рассеяния, расположенный на оптической оси 5 системы формирования изображения так, что его плоскость рассеяния перпендикулярна оси координатно-чувствительного приемника, вдоль которой определяют координату.30При этом рассеиватель выполнен в виде прозрачной для излучения пластины, на поверхности которой расположены взаимопараллельные рассеивающие риски, и установлен так, что риски параллельны определяемой координате,При этом рассеиватель выполнен в виде зеркально отражающей пластины, на поверхности которой расположены взаимно параллельные рассеивающие риски. 40При этом, с целью одновременного определения двух координат, рассеиватель снабжен механизмом поьорота вокруг оптической оси системы формирования иэображения. 45Кроме того, с целью расширения динамического диапазона регистрируемых энергий, в устройство введен оптический клин, установленный перед координатно-чувствительным приемником так, что направление изменения его оптической плотности перпендикулярно оси координатно-чувствительного приемника, вдоль которой определяют координату.Кроме того, с целью устранения зависимости результатов измерения энергии источника от его спектра,параллельные рассеивающие риски распределены по поверхностирассеивателя на разном расстоянии друг от дру га с постоянной средней плотностью.При этом, с целью обеспечения неравномерного по углам плоского рассеяния, параллельные рассеивающие риски имеют различную глубину, а ве личина средней плотности распределения рассеивающих рисок в зависимости от их. глубины выбирают иэ соотношения ЬМ(с 1) =Ае (11где И(Й) - средняя статистическаяплотность распределениярисок в зависимости отглубины профиля дмм 1- длина волны излучения источника, мкм;б - глубина профиля рассеивающих рисок, мкм;А - коэффициент, выбираемый впределах 10 -10, мм-";В - коэффициент, выбираемый впределах 10-20.Кроме того, рассеиватель выполненмногослойным с Г безличными показателями преломления материалов слоев,а рассеивающие риски нанесены на поверхности раздела УКазанных слоев.Кроме того, с целью повышения надежности выделения изображения источника на фоне посторонней засветки фильтр пространственных частотанализатора иэображения устройстваимеет верхнюю граничную частоту про,пу кания в 1,5-10 раз меньшую по оси,перпендикулярной определяемой координате, чем верхняя граничная частота вдоль определяемой координаты.На фиг.1 изображена оптическаясхема устройства, выполненного с рассеивателем в виде прозрачной для излучения пластины; на фиг.2 - принципработы устройства,Устройство состоит из рассеивате ля 1 с плоской индикатриссой рассеяния, системы 2 формирования изображения, оптического клина 3, координа".но-чувствительного приемника 4 и анализатора 5 изображения. Источник 6 излучения представляет собой звезду или иной точечный источник,Рассеиватель 1 выполнен в виде прозрачной для излучения пластины с параллельными рассеивающими рисками, причем он повернут таким образом, что рассеивающие риски параллельны оси Х координатно-чувствительного приемника 4, вдоль которой определяют координату. При этом плоскость рассеяния перпендикулярна этой оси.Рассеиватель 1 выполняют так же в виде зеркально отражающей пластины на поверхности которой нанесены параллельные рассеивающие риски, При этом система 2 формирования изображения, оптический клин 3 и координатно-чувствительный приемник 4 расположены по ходу излучения, отраженного от плоскости эеркальноотражающей пластины. Для наиболее точного определения координат ярких источников рассеиватель располагают на расстоянии й от системы формиро/Я/ььО, для /Я/с/Я/ (2) где Я - расстояние от системы формирования иэображения источника излучения, находящегося5в области отрицательных значений расстояний;Я - расстояние от системы форми. рования иэображения до изображения источника.1 ОДля получения меньших по длине трансформированных иэображений источника рассеиватель располагают ближе к координатно-чувствительному приемнику.15Параллельные рассеивающие риски распределены на поверхности рассеивателя на разных расстояниях случай ным некоррелированным образом с постоянной средней плотностью, т.е. 20 на любом отрезке, параллельном плоскости рассеивания и имеющем,единичную длину, среднестатистическое число рисок одинаково.Случайный характер распределения рассеивающих рисок на поверхности рассеивателя необходим для подавления интерференции рассеянных волн, что практически обеспечивает независимость индикатриссы плоского рассеяния от спектрального состава излучения, в отличие от дифракционной решетки, в которой параллельные штрихи, расположенные на одинаковых расстояниях друг от друга, обуславливают ее дисперсионные свойства.Отношение ширины профиля рассеивающих рисок к среднестатистическому расстоянию между ними, выбирают в пределах 0,1-0,5. Чем больше это отношение,тем выше эффективность рассея ния.Глубину профиля рассеивающих рисок выбирают для различных длин волн излучения в пределах от долей миллиметра до долей микрона. При этом для 45 получения более узкой индикатриссы глубину профиля рассеивающих рисок выбирают меньшей. Для более коротко-. волнового излучения глубину профиля рассеивающих рисок также выбирают меньшейДлина рассеивающих рисок значительно превосходит длину .волны излучения источника. Для этого необходимо, чтобы поверхность рисок была гладкой. Рассеивающие риски с укаэанными свойствами получают, например, продольным шлифованием. При этом выбирая абразивные частицы различных размеров, получают различную глубину и ширину профиля рассеиваю- еО щих рисок.Система 2 формирования изображения выполнена, например, в виде линзы, или в виде комбинаций линз, сферических зеркал, поворотных призм и 65 т.д. Оптический клин 3 - в виде пластины с переменной оптической плотностью, например,в виде напыленного на плоскопараллельной пластине поглощающего слоя, или пластины из поглощающего материала переменной толщины. Диапазон изменения оптической плотности соответствует диапазону возможных энергий, принимаемых отисточника. Координатно-чувствительныйприемник 4 выполнен в виде фотопластины, видикона, или комбинации Фото- пластины, видикона с электронно-оптической системой усиления яркости. Координатно-чувствительный приемник4 выполнен также в виде устройства для запоминания изображения.Анализатор изображения выполнен в виде оптического устройства, в котором в качестве фильтра пространственных частот использована сканирующая щель, растр, годограмма. Например, сканирующая щель имеет длину, превышающую ее ширину в 1,2-10 раз и ориентированную вдолв оси У координатно-чувствительного приемника, перпендикулярной определяемой координате Х. При этом размеры трансформированного изображения совпадают с размерами щели, для наиболее эффективного выделения иэображения источника на Фоне посторонней засветки.Устройство работает следующимобразом.Излучение от источника Я, проходя через рассеиватель 1, рассеивается в плоскости, параллельной направле-нию падающего излучения, После прохождения системы 2 формирования изображения на поверхности координатно- чувствительного приемника 4 падающее излучение образует трансформированное изображение источника. При этом. за счет введенного рассвивателя с плоской индикатриссой рассеяния изображение точечного источника излучения Я преобразуется в линию АС,перпендикулярную определяемой координате Х (фиг.1) . Искомую координату Х определяют, например, многократно сканируя трансформированное изображение истбчника (линия АС, фиг.1) в различных участках вдоль координаты Х. При этом за счет многократного сканирования трансформированного изображения производят многократные независимые измерения искомой координаты Х источника. По сравнению с единичным измерением координаты, имеющим место в известном устройстве , точность. определения координаты возрастает в -й , где й - число независимых сканирований трансформированного иэображения источника. Число 0 определяется длиной трансформированного изображения источника и разрешающей способностью координатно-чувствительного приемника. Если разрешающая способность системыформировайя изображения хуже, чем разрешающая способность координатно- чувствительного приемника, то число Б лимитируется разрешающей способностью системы формирования изображения. Так, например, при использо вании в качестве координатно-чувствительного приемника фотопластинки размером 100 х 100 мм и разрешением 100 лин/мм число сканирований поперек трансформированного иэрбражения источника, представляющего собой линию длиной 100 мм доводят до 10. Выигрыш в точности определения координаты составит 604 =100 раз.Выигрыш в точности определения энергии для известных координатно- чувствительных приемников обычно меньше укаэанного предельного числа вследствие того, что чувствительности отдельных участков координатно- чувствительных приемников скореллированы между собой. С целью расширения динамического диапазона регистрируемых энергий в устройство вводят оптический клин 3, установленный перед координатно-чувствитель ным прйемником 4. Ослабляя излучение в зависимости от координаты У, оптический клин обеспечивает непрерывное рангирование чувствительности участков трансформированного изоб ражения АС.Энергию источника И определяют по Формуле 40 ИР (0)(3) 35М К (У)где К (У) - коэффициент пропусканияоптического клина дляучастка трансформированного изображения, имеющего координату У;0 величина Фотоотклика наУучастке трансформированного иэображения, имеющего координату У (для фотопленки - степень 45почернения);Р(0 - функция, связывающая величину фо оотклика с величиной плотности поглощенной энергии (приводит Ося в справочниках длякаждого конкретного типакоординатно-чувствительного приемника в видесветовой характеристики);М коэффициент передачи системы формирования изображения и рассеивателя,т,е. отношение энергииисточника к поглощеннойплотности энергии на 60участке с координатой У.Если рассеиватель имеет равномерную индикатриссу, то коэффициент М одинаков на всех у ветках трансформированного и эобра ни я. Для большинства координатно-чувствительных типов Р(0 ) - нелинейная функция при больших поглощенных энергиях, поэтому определение поглощенной энергии по этой функции возможно Лишь в неболы:юм динамическом диапазоне (1-2 порядка). За счет того, что коэффициент пропускания оптического клина КУ) для различных участков трансформированного изображения меняется в большом динамическом диапазоне (5-6 порядков), поглощенная энергия на различных участках трансформированного иэображения меняется в том,же диапазоне. При Этом выбирают отрезок трансформир 9 ванного изображения в котором поглощенная энергия находится на,рабочем участке функции Р(0 ), На остальных отрезках поглощенная энергия или слишком мала или слишком велика для точного определения энергии источника. Расширить диа-. пазон регистрируемых энергий можно также испольэуя рассеиватель с неравномерной по углам плоской инди- . катриссой рассеяния,При этом энергия Х источника определяется по формулеР(0 )(4)МКд (у уо)где величины 0 и Р (0) - те же, что и в (3);К (у-Уо ) - коэффициент ослабления излучения рассеянного на участок трансФормированного изображения с координатой У координата нетрансформированного изображения источника;коэффициент передачи системы формирования изображения, т,е. отношение энергии и"точника к энергии нетрансФормированного изображения.Коэффициент рангирования чувствительности участков трансформированного изображения в формуле (4) К(уу ) не зависит от положения источнио.ка Б , в отличие от К 4(У) в формуле (3), имеющей место для оптического клина, Коэффициент К(у-у) зависит лишь от расстояния (у-уо) между участком трансформированного изображения и местоположением нетрансформированного иэображения. Примерный вид зависимости К (у-у ) показан ли 2 анией (эпюрой) АВС на Фиг.1. Вследствие неравномерного распределения энергии излучения вдоль трансформированного изображения находятся участки на нем, плотность поглощенной энергии в которых оптимальна для определения энергии по величине фото- отклика в более широком д;паэонеэнергий излучения чем в известном устройстве.В данном устройстве динамический диапазон регистрируемых энергий ограничивается только коэффициентом рассеяния и системе 2 формирования изображения, За счет этого рассеяния на поверхности координатно-чувствительного приемника создается фоновая освещенность, уровень которой состав-Ь -1 оляет 10 - 10 от величины освещенности в местоположении изображения (О источника. Контраст этих освещенностей колеблется в указанных пределах в зависимости от качества оптики. В предлагаемом устройстве реализуется динамический диапазон регистрируе мых энергией источника 6-10 порядков по сравнению с 1-2 порядками в известном устройстве, Координаты более мощных источников определяются с меньшей точностью из-за ореолов во- О круг их иэображения, в предлагаемом устройстве точность определения координат и энергии практически не занисит от избыточной энергии источника,При измерении координат источника с повышенной точностью, особенно при большом поле обзора, следует учитывать реальную форму линии, являющейся трансформированным изображением источника, На Фиг.2 в утрированном виде показаны формы этих3") линий для источников В(, Я, Я ), видных под различными углами к оптической оси 00 устройства. Полное поле обзора равно Ч6 . Трансформированное изображение источника представляет собой прямую линию только для источ- ников, находящихся на оптической оси устройства (источник Я ). Для источникон, расположенных не на оптической оси устройства и видных под углом 1/2 40 (где 9 - определяемая угловая координата) рассеянное излучение лежит не на плоской, а на конической поверхности и трансформированные изображения этих источников представляют 45 собой гиперболы А Я В и АБ В .Причем вершинами этих гипербол являются иэображения источников 5 5(фиг.2, источники 5 5 ) Относительная нели- чина отклонения от линейности оценивается по формулеЯ = (1-Сов )1 ДМгде 9 - определяемая угловая координата;В - угол обзора по другой угловой координате.В частности для квадратного поля обзора размером 10 х 10 величина д не превышает 0,4 от размеров рабочего поля координатно-чувствительного щ приемника.Надежность выделения изображения источника на фоне посторонней засветки заключается в том, что при повышенном уровне посторонней засветки 65 на понерхности координатно-чувствительного приемника появляются большие Флуктуации посторонней засветки,величина которых на малой, анализируемой площади превышает уровень плотности энергии, насыщающий чувстнительный слой координатно-чувствительногоприемника.Для того чтобы выделить изображение источника на фоне этих пятенфлуктуации необходимо расширить анализируемую площадь координатно-чувствительного приемника, так как дажеизображения источника, имеющие большую.чем флуктуационная плотность энергиине могут выделяться на Фоне этих пятен флуктуации из-за насыщения координатно-чувствительного приемника.Увеличение анализируемой площади устраняет насыщение координатно-чувствительного приемника (при этом площадьиэображения источника также увеличивается).За счет трансформации с помощьюрассеивател изображения источника(удлнинение) и уменьшения верхнейграничной частоты пропускания Фильтра пространственных частот анализатора изображения только по одной координате (перпендикулярной определяемой), происходит увеличениеанализируемой площади координатно-чувствительного приемника и насыщение координатно-чувствительного приемника устраняется,Таким образом, происходит повышение надежности выделения изображенияисточника на Фоне посторонней засветки без ухудшения точности определения координаты (верхняя граничнаячастота Фильтра пространственныхчастот понижена только по координате,перпендикулярной определяемой) . Получение четких нетрансформированныхизображений требует высокой точностиэкспозиции, тогда как трансформированные изображения получаются достаточно четкими в 10 раз большем интервале.Предлагаемое устройство может найти широкое применение в астрономических измерениях и н топограФии, атакже в устройствах для дистанционного определения местоположения и энергии импульсных источников излучения,в частности лазерных источников, атакже как составная часть спектрографа. Такой спектрограф отличаетсяот известного наличиеМ рассеивателяс плоской индикатриссой рассеяния,установленного между коллиматорнымобъективом и диспергирующим элементом. При этом распреДеление излучения в спектральную линию не зависитот длины входной щели, что позноляет значительно сократить потери излучения,связанные с освещением длинной входной щели от точечных источников. Применение данного устройст114ва,как.соравной части спектрографа, позволяет повысить коэффициент использования излучения источника в 10-30 раэ. 823895 ФОрМула изобретения 1. Устройство для определения координат и энергии источника излучения, содержащее систему Формирования изображения, координатно-чувствительный приемник и анализатор изображения, включающий Фильтр пространственных частот, о.т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения точности одновременного определения коорди нат и энергии источника излучения, в него введен рассеиватель с плоской индикатриссой рассеяния, расположенный на оптической.оси системы формирования изображения так, что его Що плоскость рассеяния перпендикулярна оси координатно-чувствительного приемника, вдоль которой определяют координату.2. Устройство по п.1, о т л и ч а в 25 ю щ е е с я тем, что рассеиватель выполнен в виде прозрачной для излучения пластины, на поверхности которой расположены взаимно параллельные рассеивающие риски, и установлен так, что риски параллельны определяемойЗО координате.3. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что рассеиватель выполнен в виде зеркально отражаю- щей пластины, на поверхности которой расположены взаимнО параллельные рассеивающие риски.4. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью одновременного определения двух ко ординат, рассеиватель снабжен механизмом поворота вокруг оптической оси системы Формирования изображения,5. Устройство по п.1, о т л и - 45 . ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона регистрируемых энергий, в него введен оптический клин, установленный перед координатно-чувствительным приемни О ком так, что направление изменения его оптической плотности перпендикулярно оси координатно-чувствительного приемника, вдоль которой определяют координату,б. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью 12устранения зависимости результатовизмерения энергии источника от егоспектра, параллельные рассеивающиериски распределены по поверхностирассеивателя на разном расстояниидруг от друга с постоянной среднейплотностью.7, Устройство по пп.1,2 и 3, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью обеспечения неравномерного поуглам плоского рассеяния, параллельные рассеивающие риски имеют различную глубину, а величина среднейплотности распределения рассеивающихрисок в зависимости от их глубинывыбрана иэ соотношенияБ(й)=Аегде Н(д) - средняя статистическаяплотность распределениярисок в зависимости от,глубины профиля й мм- длина волны излучения источника, мкм;б - глубина профиля рассеивающих рисок, мкм;А . - коэффициент, выбираемыйв пределах 10 -10", ммВ - коэффициент, выбираемыйв пределах 10-20.8. Устройство по пп,1,2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что рассеиватель выполнен многослойным с различными показателями преломления материалов слоев, а рассеивающие риски нанесены на поверхности раздела указанных слоев.9. Устройство по п,1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности выделения изображения источника на фоне постороннейзасветки Фильтр пространственных частот анализатора изображения устройст(ва имеет верхнюю граничную частотупропускания в 1,5-10 раз меньшую пооси, перпендикулярной определяемойкоординате, чем, верхняя граничнаячастота вдоль определяемой координаты.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Калинчук В.Н. Анализатор дляизмерения угловых координат импульсного источника излучения. Сб.научных трудов аспирантов. Ленинградский институт точной механики и оптики, 1974, с.25-31.2. Яворский Б.И. и др. ОсновыФизики. М., Наука,. т.2, 1972,с.368-375 (прототип)./56 ТираВНИИЧИ Госудапо делам иэ113035, Моска 907твенноретени ЗПодпиго комитета СССРй и открытийРаушская наб