Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Область техники

Изобретение относится к области электрооптического (радиооптического) приборостроения и, в частности, к визуализации электромагнитного излучения.

Предшествующий уровень техники

Из всего спектра электромагнитных излучений, испускаемых природными или искусственными объектами, человеческий глаз способен видеть изображения объектов, только в диапазоне длин волн 0,45÷0,75 мкм (видимый спектр).

Для решения задачи визуализации за пределами этого видимого диапазона используются различные устройства для визуализации электромагнитных излучений. К таким устройствам относятся, например, радиометры изображения или отображающие радиометры, радиоинтроскопы, электронно-оптические преобразователи (ЭОПы), радиовизоры и тепловизоры.

Потребность в визуализации излучения за пределами видимого диапазона (УКВ и выше) вызвано тем, что такое излучение легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Соответственно, применение высокочастотного излучения различно и включает использование в томографических исследованиях на сантиметровой глубине, при идентификации веществ. Кроме того, учитывая безвредность такого излучения для человека, оно может быть использовано во всевозможных сканирующих устройствах. Например, в устройствах антитеррористического контроля, визуализаторах.

Из патента RU 2356129 известен визуализатор электромагнитных излучений, содержащий, в качестве воспринимающей излучения мишени - антенную матрицу, преобразующую падающую на нее энергию излучения в электрическую энергию тока, который, в свою очередь, нагревает резистивную пленку, преобразуя, таким образом, электрическую энергию в тепло (энергию инфракрасного излучения), а в качестве преобразователя тепловой энергии в электрическую - тепловизор, который строит инфракрасное (тепловое) изображение температурного поля на поверхности своего матричного приемника, который, в свою очередь, преобразует энергию ИК-излучения в необходимый электрический сигнал. Недостатком такого визуализатора является его невысокая чувствительность по отношению к естественному излучению исследуемых объектов в субмиллиметровом диапазоне излучения. Другим недостатком является низкая разрешающая способность визуализации вследствие необходимости конструктивного исполнения каждого элемента разложения антенной матрицы по размерам, зависящим от длины волны визуализируемого излучения, что приводит к громоздкости мишени с элементами разложения и, соответственно, всего устройства в целом, без какого-либо увеличения разрешающей способности визуализатора. Дополнительным недостатком является повышенная сложность конструкции камеры мишени вследствие необходимости ее термоизоляции. Кроме того, наличие в данном устройстве большого количества не термоизолированных линз, полупрозрачных зеркал, а также незначительность самой тепловой информации элемента разложения мишени, приводит к большим шумовым помехам и искажениям. Так как исследуемое электромагнитное излучение проходит несколько этапов трансформации в различные виды энергии, в том числе через тепловое преобразование поглощенной энергии излучения, проявляется дополнительная инерционность и размытость изображения объекта.

Из патента RU 2084876 известен радиоинтроскоп для обнаружения неоднородностей в различных твердых средах, определения их расположения и геометрических форм, содержащий последовательно соединенные СВЧ-генератор 1, первый электронный ключ 2, направленный ответвитель 3, блок 4 преобразования частоты вверх или вниз, циркулятор 5, блок 6 преобразования частоты вниз или вверх, второй электронный ключ 7, приемный блок 8, блок 9 управления, анализатор 10 спектров отраженных сигналов, блок 11 обработки и индикации, электрически управляемый аттенюатор 12, блок управляющих импульсов 13, блок 14 формирования закона частотной модуляции, антенный блок 15, снабженный двухкоординатным электронно-механическим измерителем текущих координат 16, который размещен на одном несущем основании 17 с антенным блоком. Данное устройство, достаточно сложно, имеет малую разрешающую способность, возможность работы только в активном режиме при облучении объекта СВЧ излучением, а также позволяет визуализировать только статические неподвижные объекты.

Из патента RU 2507542 известно устройство визуализации электромагнитных излучений, наиболее близкое к заявляемому объекту, содержащее линзовую антенну, принимающую и фокусирующую электромагнитное излучение; вакуумированный диэлектрический корпус с экраном, имеющим пропускающее излучение окно и вмещающий в себя чувствительный элемент, расположенный в фокальной плоскости линзовой антенны и электронно-оптический преобразователь; электронный блок обработки и устройство воспроизведения изображения, причем чувствительный элемент содержит металлическое основание-подложку, электрически связанное с экраном вакуумированного диэлектрического корпуса, с диэлектрической прокладкой со стороны падающего излучения, с расположенным на ней набором элементов разложения, выполненных с возможностью поглощать сфокусированное электромагнитное излучение и преобразовывать его в переменные электрические заряды с частотой, заданной геометрическими размерами элемента разложения, причем каждый элемент разложения из набора элементов разложения имеет емкостную связь с металлической основанием - подложкой, причем электронно-оптический преобразователь, для обеспечения эмиссии предварительно возбужденных электронов, выполнен с возможностью создания внешнего статического поля с энергией, равной:

где

E_{в. мат} - энергия выхода электронов материала,

E_в0 - энергия покоя электрона,

E_эми - переменная энергия заряда, сгенерированного на обкладке элемента разложения при приеме поглощенного визуализируемого электромагнитного излучения,

E_А - энергия внешнего однородного статического электрического поля,

причем электронно-оптический преобразователь содержит элемент преобразования информационного потока электронов, причем каждый из элементов разложения выполнен из материала, обладающего высокой автоэлектронной эмиссией при низком значении напряженности электрического поля.

Основными недостатками известного устройства визуализации электромагнитных излучений на основе автоэлектронной эмиссии с предварительным возбуждением электронов являются достаточно сложная юстировка (настройка) устройства визуализации на слабых сигналах исследуемых излучений, что позволяет визуализировать только относительно сильные (мощные) источники сигнала, а также наличие нескольких промежуточных преобразований исследуемого электромагнитного излучения, что вызывает дополнительные шумы, приводящие к ухудшению визуализированного изображения и требующие многозвенной настройки и юстировки.

Таким образом, по меньшей мере, указанные выше недостатки известного устройства не позволяют получить простое и чувствительное к слабым сигналам устройство визуализации исследуемых объектов в метровом диапазоне и менее в динамическом и статическом режимах.

Задачей настоящего изобретения является предоставление улучшенного устройства и способа визуализации электромагнитного излучения в расширенном диапазоне частот исключающего недостатки уровня техники.

Краткое изложение сущности изобретения

Техническим результатом, достигаемым изобретением, является конструктивное упрощение, повышение разрешающей способности, простоты настройки и удобства эксплуатации.

Поставленная задача, согласно одному аспекту настоящего изобретения, решается предоставлением устройства визуализации электромагнитных излучений, содержащего

- набор антенн, включающий в себя по меньшей мере одну антенну, выполненную с возможностью приема сигнала визуализируемого излучения,

- устройство опроса, выполненное с возможностью формирования и выдачи по меньшей мере одного опорного импульса заданной длительности,

- причем заданная длительность опорного импульса по меньшей мере в два раза больше одного периода принимаемого сигнала визуализируемого излучения,

- по меньшей мере одно устройство амплитудно-импульсной модуляции, выполненное с возможностью формирования промодулированного сигнала посредством модуляции принятого опорного импульса U_{оп. имп} заданной длительности сигналом визуализируемого излучения U_{ЭМИ сигн}, принятым по меньшей мере одной антенной набора, причем амплитуда U_{оп. имп} больше максимальной амплитуды U_{ЭМИ сигн},

- фильтр низкой частоты, выполненный с возможностью пропускания отфильтрованного промодулированного сигнала,

- восстанавливающий фильтр, выполненный с возможностью формирования сигнала огибающей промодулированного сигнала,

- блок формирования видеосигнала, выполненный с возможностью формирования видеосигнала с наведенными служебными синхроимпульсами из по меньшей мере одного сигнала огибающей промодулированного сигнала,

- устройство отображения, принимающее видеосигнал и преобразующее его в изображение.

Согласно одному варианту воплощения набор антенн представляет линейку антенн.

Согласно другому варианту воплощения набор антенн представляет матрицу антенн.

Согласно другому варианту воплощения устройство визуализации дополнительно содержит фокусирующее устройство, выполненное с возможностью предварительного фокусирования сигнала, принимаемого набором антенн.

Согласно другому варианту воплощения устройство опроса выполнено с возможностью формирования и параллельной подачи опорного импульса заданной длительности на по меньшей мере одно устройство амплитудно-импульсной модуляции и блок формирования видеосигнала выполнен с возможностью формирования видеосигнала из по меньшей мере одного сигнала огибающей промодулированного сигнала путем преобразования одновременно поступающих сигналов в последовательность импульсов с наведенными служебными синхроимпульсами.

Согласно другому варианту воплощения устройство опроса выполнено с возможностью формирования и последовательной подачи опорного импульса заданной длительности на по меньшей мере одно устройство амплитудно-импульсной модуляции и блок формирования видеосигнала выполнен с возможностью формирования видеосигнала из по меньшей мере одного сигнала огибающей промодулированного сигнала, при этом видеосигнал представляет собой последовательность импульсов с наведенными служебными синхроимпульсами.

Согласно другому варианту воплощения устройство визуализации дополнительно содержит блок перемещения линейки антенн, выполненный с возможностью перемещения линейки антенн по заданному алгоритму для создания пространственного разрешения.

Согласно другому варианту воплощения устройство визуализации дополнительно содержит излучатель, выполненный с возможностью предварительного излучения сигнала для формирования усиленного отраженного или проникающего сигнала визуализируемого излучения.

Согласно другому варианту воплощения по меньшей мере одна антенна набора антенн является широкополосной антенной, и устройство дополнительно содержит сборку полосовых фильтров, включающую в себя по меньшей мере один набор из по меньшей мере трех полосовых фильтров, каждый из которых выделяет сигнал заданной полосы частот, отличной от заданной полосы частот другого полосового фильтра этого набора.

Согласно другому варианту воплощения набор антенн содержит по меньшей мере три узкополосные антенны, каждая из которых настроена на заданную частоту, отличную от заданной частоты другой узкополосной антенны.

В соответствии с другим аспектом изобретения предложен способ визуализации электромагнитных излучений, содержащий этапы, на которых:

- принимают сигнал визуализируемого излучения с помощью набора антенн, включающего в себя по меньшей мере одну антенну, и подают его на устройство амплитудно-импульсной модуляции,

- формируют и подают на устройство амплитудно-импульсной модуляции опорный импульс заданной длительности,

причем заданная длительность опорного импульса по меньшей мере в два раза больше одного периода принимаемого сигнала визуализируемого излучения,

- формируют промодулированный сигнал посредством амплитудно-импульсной модуляции опорного импульса U_{оп. имп} заданной длительности сигналом визуализируемого излучения U_{ЭМИ сигн}, принятым по меньшей мере одной антенной, набора, причем амплитуда U_{оп. имп} больше максимальной амплитуды U_{ЭМИ сигн},

- отфильтровывают шум и пропускают отфильтрованный промодулированный сигнал,

- формируют сигнал огибающей промодулированного сигнала,

- формируют видеосигнал из сигнала огибающей промодулированного сигнала, с наведенными синхроимпульсами,

- преобразуют видеосигнал в изображение.

Согласно одному варианту воплощения принимают сигнал визуализируемого излучения с помощью набора антенн, представляющего собой линейку антенн.

Согласно другому варианту воплощения принимают сигнал визуализируемого излучения с помощью набора антенн, представляющего собой матрицу антенн.

Согласно другому варианту воплощения способ дополнительно содержит этап, на котором предварительно фокусируют сигнал, принимаемый набором антенн.

Согласно другому варианту воплощения опорный импульс подают последовательно или параллельно.

Согласно другому варианту воплощения способ дополнительно содержит этап, на котором перемещают линейку антенн по заданному алгоритму для создания пространственного разрешения.

Согласно другому варианту воплощения способ дополнительно содержит этап, на котором предварительно излучают сигнал для формирования усиленного отраженного или проникающего сигнала визуализируемого излучения.

Согласно другому варианту воплощения используют широкополосную антенну в качестве по меньшей мере одной антенны набора антенн, и по меньшей мере один набор из по меньшей мере трех полосовых фильтров, каждый из которых выделяет сигнал заданной полосы частот, отличной от заданной полосы частот другого полосового фильтра этого набора в качестве сборки полосовых фильтров.

Согласно другому варианту воплощения используют по меньшей мере три узкополосные антенны, каждая из которых настроена на заданную частоту, отличную от заданной частоты другой узкополосной антенны в качестве набора антенн.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает схематический вид устройства визуализации излучения согласно первому предпочтительному варианту воплощения.

Фиг. 2 изображает диаграмму сигналов на отдельных блоках устройства визуализации.

Фиг. 3 изображает схематический вид устройства визуализации излучения согласно второму предпочтительному варианту воплощения.

Фиг. 4 изображает схематический вид устройства визуализации излучения согласно третьему предпочтительному варианту воплощения.

Фиг. 5 изображает схематический вид устройства визуализации излучения согласно четвертому предпочтительному варианту воплощения.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

В соответствии с первым вариантом воплощения на рис. 1 представлено устройство монохроматической визуализации с матрицей антенн. Устройство работает следующим образом. Визуализируемое излучение от объекта исследования принимается набором антенн (1), составляющим в данном варианте воплощения матрицу антенн. Антенны матрицы являются элементами разложения. На каждой антенне набора формируются электрические сигналы с амплитудой, соответствующей свойствам исследуемого объекта, и с резонансной частотой визуализируемого излучения, которые затем подаются на устройство амплитудно-импульсной модуляции (3). Под свойствами исследуемого объекта понимается его свойство излучать или отражать ЭМИ в соответствии с его химической и физической природой. Устройство опроса (2) подает последовательно опорные импульсы на каждое устройство амплитудно-импульсной модуляции (3) в соответствии с законом строчной и кадровой развертки. При этом амплитуда опорного импульса U_{оп. имп} больше максимальной амплитуды сигнала визуализируемого излучения, принимаемого антенной набора U_{ЭМИ сигн.} Устройство амплитудно-импульсной модуляции (3) формирует промодулированный сигнал (рис.2) посредством модуляции опорного импульса заданной частоты сигналом визуализируемого излучения. Далее промодулированные таким образом сигналы поступают на фильтр низкой частоты (4), который пропускает низкочастотную составляющую промоделированных сигналов. Отфильтрованный сигнал с выхода фильтра низкой частоты (4) поступает на восстанавливающий фильтр (5), формирующий сигнал огибающей промодулированного сигнала. Сигнал огибающей промодулированного сигнала поступает на блок формирования видеосигнала (6), формирующий итоговый видеосигнал с наведенными служебными синхроимпульсами, поступающий на устройство отображения (7).

В соответствии со вторым вариантом воплощения на рис. 3 представлено устройство квазицветной визуализации с матрицей антенн. Устройство работает следующим образом. Набор (1) широкополосных антенн, сформированных в матрицу антенн, принимает сигнал от объекта исследования. Следует отметить, что визуализируемый сигнал может быть сигналом излучателя (9), отраженным от объекта исследования или проникающим сквозь него и сфокусированным фокусирующим устройством (8). Полученный визуализируемый сигнал поступает на три полосовых фильтра (10), настроенных в соответствии с законом квазицветного разложения и выделяющих, соответственно, узкополосные сигналы. Следует отметить, что количество полосовых фильтров (10) может быть более трех, в зависимости от желаемого количества выделяемых узкополосных сигналов. Каждому выделенному сигналу может быть присвоен цвет. Например, выделенному сигналу с наиболее низкой частотой - красный, выделенному сигналу со средней частотой - зеленый, выделенному сигналу с наиболее высокой частотой - синий. Выделенные сигналы поступают на устройства амплитудно-импульсной модуляции (3) и модулируют опорные импульсы, параллельно поступающие на устройства амплитудно-импульсной модуляции (3) с устройства опроса (2). При этом амплитуда опорного импульса U_{оп. имп} больше максимальной амплитуды сигнала визуализируемого излучения, принимаемого антенной набора U_{ЭМИ сигн}. Далее, промодулированные таким образом сигналы поступают на фильтр низкой частоты (4), который пропускает низкочастотную составляющую промодулированных сигналов. Отфильтрованные сигналы с выхода фильтра низкой частоты (4) поступают на восстанавливающий фильтр (5), формирующий сигнал огибающей промодулированного сигнала. Сигнал огибающей промодулированного сигнала поступает на блок формирования видеосигнала (6), включающий в себя память для формирования последовательности видеоимпульсов с синхросигналами цветности, строчно-кадровой развертки и другими синхроимпульсами, из параллельно поступающих сигналов, которая далее поступает на устройство отображения (7).

Согласно третьему варианту воплощения использование устройства опроса (2) с возможностью параллельной подачи опорных импульсов в устройстве монохроматической визуализации показано на рис. 4. При этом такой вариант воплощения также использует блок формирования видеосигнала (6), включающий в себя память для формирования последовательности видеоимпульсов с наложением синхросигналов, в соответствии с синхросигналами строчной, кадровой развертки и другими синхроимпульсами, из параллельно поступающих сигналов огибающей промодулированных сигналов, которая далее поступает на устройство отображения (7).

В соответствии с четвертым вариантов воплощения (рис. 5), в устройстве квазицветной визуализации с матрицей антенн возможно использование устройства опроса (2), которое подает последовательные опорные импульсы на устройства амплитудно-импульсной модуляции (3), в соответствии с синхросигналами строчной, кадровой развертки и другими синхроимпульсами. Получаемый с восстанавливающего фильтра (5) сигнал огибающей промодулированного сигнала, поступает на блок формирования видеосигнала (6), в этом случае, уже представляет собой последовательность видеоимпульсов, формирующую итоговый видеосигнал со служебными синхроимпульсами, поступающий на устройство отображения (7).

В соответствии со вторым и четвертым вариантом воплощения, вместо широкополосной антенны с тремя полосовыми фильтрами (10), устройство визуализации может использовать набор антенн, содержащий по меньшей мере три узкополосные антенны, каждая из которых настроена на заданную частоту, отличную от заданной частоты другой узкополосной антенны. Каждая из узкополосных антенн настроена на прием определенного узкополосного сигнала в соответствии с законом квазицветного разложения. При этом таких узкополосных антенн может быть более трех, в зависимости от желаемого количества выделяемых узкополосных сигналов. Каждому принимаемому сигналу может быть присвоен цвет.

В соответствии с представленными вариантами воплощения вместо матрицы антенн набор антенн устройства визуализации может быть скомпонован в линейку антенн. При этом линейка антенн перемещается блоком перемещения линейки антенн по заданному алгоритму для создания пространственного разрешения. В качестве неограничивающих примеров, таким перемещением может быть угловое перемещение линейки в диапазоне заданного угла перемещения вокруг оси поворота или линейное перемещение линейки в заданной скоростью вдоль оси перемещения.