Обзор существующих имитаторов спектрального состава

Оглавление

Введение …………………………………….…………...…….……….….3

1    Методы построения имитаторов излучения…………………..….….4

2    Обзор существующих имитаторов спектрального  состава….…..…9

          2.1  Имитатор излучения заданного спектрального состава и

          силы излучения………………………………….……….……………...…9

2.2  Имитаторы регулярных и случайных фонов.…………..……….…17

2.3  Имитаторы излучения природных объектов. ...….....….……….....21

Заключение…………...…………………………………..…...…..…...…30

Список литературы……………………………………......………..…....31

 

Введение

 

При проведении стендовых испытаний используют имитаторы, имитирующие излучения объектов, а также излучение сопутствующих данным объектам фонов.

Идеальное имитирование осуществляется в том случае, когда излучение имитатора тождественно излучению от наблюдаемых объектов и фонов, т.е. спектральный состав и сила излучения имитатора соответствуют действительным, обеспечивают реальные угловые размеры объектов и фонов, а также одинаковое с действительным взаимное угловое расположение объектов и фонов.

Одно из важных требований, предъявляемых к имитатору, -  необходимость обеспечения равномерного распределения энергии излучения в пределах зоны работы испытуемого прибора для того, чтобы на результатах испытаний не сказывались несимметричное виньетирование и аберрации оптической системы испытуемого прибора.

Обычно излучение объектов и фонов имитируют на основе источников излучения, по характеристикам и параметрам, наиболее близким к имитируемому излучению. При это спектральный состав и силу излучения исходного источника преобразуют наиболее простым методом - фильтрацией, т.е. поглощением части излучения.

 

1 Методы построения имитаторов излучения

 

Для построения имитаторов объектов и фонов практически используют два варианта преобразования излучения исходного источника фильтрацией: преобразование путем ослабления отдельных спектральных составляющих излучения отдельными фильтрами и преобразование с помощью одного фильтра всего спектра излучения.

Преобразование излучения источника путем ослабления отдельных составляющих по спектру позволяет преобразовать любой источник со сплошным спектром излучения в источник с требуемым спектральным составом исходного источника, и силой излучения по всем длинам волн, меньшей силы излучения исходного источника (Рис.1)

 

Рисунок 1 График преобразования излучения исходного источника фильтрацией отдельных спектральных составляющих:

1 – кривая энергетической светимости источника Mλ;

2 – кривая спектрального распределения энергетической светимости имитируемого источника

 

 

Для преобразования кривой 1 в кривую 2 можно применить узкополосные светофильтры, прозрачные в узком интервале длин волн Δλ,причем характеристики пропускания таких фильтров идеальные, т.е в интервале длин волн Δλ их коэффициент пропускания не меняется, а вне этого интервала падает до нуля. Если на пути излучения преобразуемого источника по сечению пучка поставить достаточное число узкополосных светофильтров так, чтобы пропускаемые ими интервалы длин волн Δλ один за другим перекрывали весь требуемый для имитации спектральный диапазон, в котором необходимо имитировать кривую 2, то после фильтров будут получены пучки разложенного в узких интервалах Δλ излучения.

В каждом интервале Δλ поглощение определяется коэффициентом поглощения отдельного фильтра. Кроме того, в каждом спектральном интервале излучение может быть дополнительно ослаблено с помощью нейтральных ослабителей, например сеток и растров. Сведя ослабленные составляющие в общий пучок, можно получить имитируемое излучение. Степень приближения спектрального состава имитируемого излучения к требуемому зависит от спектрального интервала Δλ, так как чем меньше Δλ, тем выше степень приближения.

Рисунок 2 Схема вариоиллюминатора:

1 – входную щель; 2,4 – объектив первого монохроматора;

3,6 – диспергирующая призма;  5,7 – объектив второго монохроматора;

8 – выходная щель

Примером использования рассмотренного метода может служить так называемый вариоиллюминатор (Рис.2), представляющий собой по существу двойной монохроматор. Пучок оптического излучения (Рис.1, кривая 1), вошедший в первый монохроматор, содержащий входную щель 1, диспергирующую призму 3 и объективы 2,4, разлагается последним в спектр, локализированный в плоскости F'. Второй монохроматор, содержащий объективы 5,7, диспергирующую призму 6 и выходную щель 8, располагается относительно первого симметрично. Если собрать вторым монохроматором все вышедшие из первого пучки, то на выходе второго монохроматора получится исходное излучение.

Если в плоскости F' поставить маску с прямоугольными вырезами, то во второй монохроматор войдут составляющие излучения, прошедшие через вырезы маски, и на выходе второго монохроматора получится излучение, преобразованное в соответствии с профилем маски. Если сделать вырезы маски непрерывными и изменять их высоту по закону изменения коэффициента ослабления согласно Рис.1, на выходе получится требуемое имитируемое излучение (Рис.1, кривая 2).

Для использования в качестве имитатора рассмотренная схема обладает недостатком: чтобы использовать всю вышедшую из первого монохроматора энергию, второй монохроматор должен иметь большие габариты.

В отличие от первого метода, при преобразовании излучения исходного источника с помощью одного фильтра по всему спектру спектральное распределение и сила излучения изменяются одним или несколькими комбинированными светофильтрами, стоящими в пучке излучения от исходного источника. При этом распределение пучка исходного излучения в пространстве не изменяется и смесительное устройство не нужно.

Используемый для фильтрации излучения исходного источника светофильтр с коэффициентом пропускания, удовлетворяющим заданным требованиям, чаще всего выполняют в виде многослойного интерференционного светоделителя, либо в виде комбинации нескольких фильтров с различными характеристиками.

Поясним сущность данного метода на основе построения имитатора солнца. Обычно в качестве источников излучения для построения таких имитаторов использую ксеноновые и ртутно-ксеноновые дуговые лампы высокого и сверхвысокого давления. Спектральный состав излучения таких ламп близок к солнечному (Рис.3).

 

 

Рисунок 3 Спектральные кривые излучения ксеноновой лампы ДКсР-600

 

 

 

Из приведенных спектральных кривых излучения видно, что ультрафиолетовая и видимая области близки. Избыток излучения в интервале 0,8-1 мкм фильтруется интерференционным многослойным делителем, полученным, например, нанесением на кварцевую подложку с двух сторон слоев (30Р ÷43Р)2+30Р И 30Р+43Р+30Р.

Сравнивая оба рассмотренных метода, можно отметить, что первый метод более универсален, его точность не может быть довольно высока, но его недостатки - сложность конструктивного исполнения и сильное ослабление энергии исходящего источника. Второй метод прост в практической реализации, характеризуется малыми потерями энергии исходного источника, но его серьезный недостаток - существенно более низкая точность имитации заданного излучения.

Следует отметить, что рассмотренные методы являются основными или базовыми. В практике построения имитаторов преобразуют излучение нескольких источников, используя один из методов или оба вместе. В этом случае излучение каждого источника фильтруется, а затем суммируется с фильтрованным излучением других источников, например с помощью интегрирующего фотометрического шара.

Принципиально число исходных источников можно взять любым, и оно ограничивается только конструктивными соображениями.

Наряду с этим существуют и другие методы и способы построения имитаторов специальных объектов и фонов, которые здесь не рассматриваются.

 

 

 

 

 

 

2 Обзор существующих имитаторов спектрального cостава.

 

Основные конструктивные особенности имитаторов спектрального состава, принцип работы, а также их применение.

 

   2.1 Имитатор излучения заданного спектрального состава и силы излучения.

 

Имитатор инфракрасного излучения заданного спектрального состава и силы излучения, предназначенный, например, для стендовых испытаний тепловизоров и теплопеленгаторов, построен на основе первого метода. В схеме имитатора (Рис.4) для получения излучения заданного спектрального состава использована идея обратного монохроматора.

 

Параллельный пучок лучей от имитатора получают при помощи зеркального коллиматора, состоящего из объектива 7 с фокусным расстояние 1200 мм и световым динамометром 150 мм и зеркала 5. Подвижка зеркала объектива (от +50 до -100мм) позволяет получить сходящиеся и расходящиеся пучки (от +0,004 до -0,06 дптр). В комплекте имитатора имеется черное тело 4 и устройство для введения фона, содержащее поворотный столик 2, зеркало 3 и растровое зеркало 1. Излучение имитатора может модулироваться в диапазоне 240-2400 Гц.

 

 

 

 

 

 

 

Имитатор работает следующим образом.

 

 

 

Рисунок 4 Схема имитатора с черным телом и устройством для введения фона:

1 – растровое зеркало; 2 – столик; 3,5 – зеркало; 4 – черное тело;

6 – выходная щель; 7 – объектив; 8 – входная щель; 9 – источник

 

Если источник 9 со сплошным спектром излучения освещает входную щель 8 монохроматора, находящуюся в положении 0, то выходная щель 6 монохроматора выделит из спектра излучения источника длину волны λi (Рис.4). Когда входная щель находится в положении I, спектр относительно выходной щели сместится и она выделит длину волны λi+1, и наоборот, в положении II-λi+1.

При постановке в фокальной плоскости объектива монохроматора протяженного источника 9 выходная щель будет источником излучения, содержащим все длины волн от λ i+1 до λ i-1, но каждая длина волны приходит на выходную щель от определенной точки протяженного источника 9. Чтобы исключить из излучения выходной щели длину волны λi, достаточно закрыть точку 0 протяженного источника непрозрачным экраном. Для получения заданного спектрального состава перед протяженным источником 9 с равномерной энергетической светимостью по площади вместо входной щели 8 ставится маска, срезающая в требуемой мере излучение определенных длин волн. Выходная щель монохроматора будет источником излучения спектрального состава и мощности излучения, которые определяются формой маски, шириной выходной щели и температурой источника.

Рассмотрим построение масок для данного имитатора. Если перед протяженным источником установить непрозрачный экран, в котором вырезана щель со спектральной шириной а, то распределение энергетической светимости от выходной щели будет иметь вид, показанный на Рис.5. Подбирая ширину и высоту щелей, прорезанных в экране, добиваются распределения энергетической светимости, близкого к требуемому. Такая маска называется щелевой и осуществляется в виде набора прозрачных полос (Рис 6,а). Зная интервал длин волн, который должна пропустить полоса, дисперсию призмы и фокусное расстояние объектива, можно рассчитать ширину полосы. Фигурная маска (Рис.6,б) срезает в желаемой мере излучение различных длин волн. Оба типа масок исключат плавную регулировку потока излучения от имитатора изменением высоты выходной щели, так как при это меняется спектральный состав излучения.

 

Рисунок 5 Спектральная плотность энергетической светимости имитатора с призмой из NaCl и источником из нихромовой ленты в охлаждаемом водой корпусе при различных температурах.

 

При симметричном перекрытии маски относительно средней линии возможно дискретное ослабление потока в два раза.

Возможен вариант маски переменной плотности, но он сложен в изготовлении и требует подложки из материала, пропускающего заданный спектральный диапазон излучения.

В имитаторе применяют две призмы с углом  А=50° из LiF для спектрального интервала Δλ =1÷5,5 мкм с линейной протяженностью указанного интервала l=13,7 мм и из NaCl для Δλ =1÷14 мкм с l=13,8 мм. Рабочая площадь маски 2X14 мм2 при соответствующей высоте выходной щели 2 мм. В качестве источника использована нихромовая лента, температуру которой можно изменить от 600 до 1000°, заключенная в охлаждаемый водой корпус. Мощность излучения такого имитатора зависит от ширины выходной щели и от температуры ленты и составляет 76 мкВт  при температуре ленты 1000° и ширине выходной щели 0,3 мм.

Желаемое спектральное распределение можно получить с разрешающей способностью от 0,02 до 0,25 мкм для различных участков спектра в зависимости от линейной дисперсии призмы и ширины щели (фигурного уступа маски).Погрешности спектрального состава излучения на выходе имитатора зависят от  погрешности снятия спектральной характеристики исходного источника и от точности изготовления маски.

Маску по заданной спектральной плоскости энергетической светимости, которую необходимо имитировать, рассчитывают следующим образом. В качестве исходного источника 9 (см. Рис. 4) выбирают источник, сила излучения которого для всех длин больше той, которую необходимо имитировать, а спектральная кривая охватывает спектральную область излучения имитируемого источника. Первоначально на место маски 8 устанавливают входную щель, которая может перемещаться с помощью отсчетного устройства вдоль источника 9, а за выходной щелью помещают фотоприемник с регистратором сигнала. Перемещая входную щель, снимают кривую спектральной плотности энергетической светимости выходной щели имитатора без маски как функцию от положения входной щели ΔUi= ΔU (l). Далее определяют реперную точку. Выходную щель 6 монохроматора засвечивают источником монохроматического излучения, например оптическим квантовым генератором. За входной щелью монохроматора на месте источника излучения 9 размещают фотоприемник и подвижкой входной щели находят ее положение, соответствующее максимальному выходному сигналу фотоприемника. Это и будет реперное положение входной щели lреп, отвечающее известной реперной длине волны λреп.