Бистатический лазерный монитор для визуально-оптической диагностики объектов и процессов, экранированных широкополосной фоновой засветкой
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1 Основные этапы развития активных оптических систем
1.1.1 Причины возникновения активных оптических систем
1.1.2 Лазерный проекционный микроскоп
1.1.3 Лазерный проекционный микроскоп в проходящем свете
1.1.4 Регистрация изображений, формирование изображения от одного
импульса
1.1.5 Лазерный монитор и его применение в условиях яркого фонового
излучения
1.1.6 Первое применение лазерного проекционного микроскопа в
системе «Генератор-Усилитель мощности»
1.1.7 Активные оптические системы сегодня
1.2 Требования к активным оптическим системам
1.3 Ограничения лазерных мониторов на основе усилителей яркости на
парах металлов
1.4 Бистатический лазерный монитор
1.5 Выводы по Главе 1
Глава 2. Приборы и техника эксперимента
2.1 Конструкция активных элементов
2.2 Источники накачки
2.3 Система синхронизации традиционных источников накачки
2.4 Используемые приборы и оборудование
2.5 Система синхронизации полупроводниковых источников накачки
2.6 Выводы по Главе 2
Глава 3. Визуализация тестовых объектов
3.1 Макет бистатического лазерного монитора
3.2 Конфигурации оптической схемы
3.3 Источник подсветки с неустойчивым телескопическим резонатором 70
3.4 Источник подсветки с плоскопараллельным резонатором
3.4.1 Яркость и область зрения
3.4.2 Предельно допустимая дистанция визуализации
3.4.3 Пространственное разрешения
3.5 Выводы по Главе 3
Глава 4. Визуализация быстропротекающих процессов
4.1 Горение бенгальской свечи
4.2 Разрушение графитовых электродов
4.3 Горение металлокерамического порошка
4.4 Горение скрутки проволок из никеля и алюминия
4.5 Выводы по Главе 4
Заключение
Благодарности
Список использованных источников
Приложение А – Принципиальная электрическая схема управления
Приложение Б – Спецификация схемы управления
Приложение В – Принципиальная электрическая схема
высоковольтного модулятора
Приложение Г – Спецификация схемы высоковольтного модулятора 149
Приложение Д – Схема электрическая принципиальная преобразования
цифровых сигналов в оптические
Приложение Е – Спецификация схемы преобразования цифровых
сигналов в оптические
Приложение Ж – Акты внедрения
Во введении обозначена проблема спектральной фильтрации при
визуально-оптической диагностике, раскрывается актуальность проблемы, а
также рассматриваются возможные варианты ее решения (пассивными и
активными методами) и подчеркиваются их принципиальные различия.
Указаны недостатки лазерного монитора, для их преодоления или
минимизации предложено использовать лазерный монитор с независимым
источникомподсветки.Обозначенанеобходимостьсинхронизации
импульсно-периодических режимов работы двух активных элементов.
В первой главе проведен литературный обзор по теме исследования,
рассмотрены причины возникновения активных оптических систем и описаны
основные этапы их развития. На примере ранее опубликованных работ
показано, что использование активных оптических систем позволяет
формироватьизображениямикрообъектовсвысокойяркостьюи
значительным увеличением. Перечислены различные области применения
лазерных проекционных микроскопов и лазерных мониторов. Рассмотрен
принцип действия лазерного монитора, а также физические и технические
ограничения его возможностей. Представлен принцип действия лазерного
монитора с автономным источником подсветки (бистатический лазерный
монитор), перечислены его возможные преимущества по сравнению с
моностатическим лазерным монитором.
Во второй главе рассматривается конструкция активных элементов на
парах бромида меди, приводятся краткие сведения об их источниках
возбуждения,выполненныхнаосноветиратроновТГИ1-1000-25.
Перечисляются основные приборы и оборудования, используемые для
выполнения инженерных и исследовательских работ. Рассматриваются два
способасинхронизацииимпульсно-периодическихрежимовработы
источника подсветки и усилителя яркости с источниками накачки на основе
тиратронов. Оба способа сводятся к синхронизации работы источников
возбужденияактивныхэлементов.Первыйспособбазируетсяна
синхронизации цифровых импульсов управления, формируемых генератором
Digital-EL PG-874 с дискретностью 10 нс. Использование такого подхода было
признано нецелесообразным в виду того, что джиттер импульсов излучения
(33 нс) оказался сопоставим с длительностью одного импульса излучения
(30÷50) нс. Второй способ основан на формировании импульса коммутации
тиратронов источников возбуждения каждого из активных элементов.
Высоковольтный импульс поступает через две линии задержки на сетки
тиратронов. Переменная индуктивность в линиях задержки позволяет
варьировать момент коммутации тиратронов относительно друг друга с
плавной регулировкой не хуже 1 нс. Джиттер импульсов излучения в таком
варианте синхронизации не превышал 7 нс. На основании разработанной
системы был реализован макет бистатического лазерного монитора.
Апробация системы синхронизации включала визуализацию тестового
объекта, яркость изображений которого при указанном джиттере изменялась
не более, чем на 10 %.
Кроме того, рассматривается возможность реализации бистатического
лазерного монитора с полупроводниковыми источниками накачки на основе
мощных IGBT-транзисторов HGTG27N120BN (1200 В, 72 А). Показано, что
при синхронизации работы полупроводниковых источников накачки средний
джиттер между импульсами тока через ГРТ активных элементов составляет
2 нс. Установлено, что мощность накачки (475 Вт) реализованных источников
достаточна для возбуждения малогабаритного усилителя яркости (l=40 см,
d=2,5 см, V=196 см3), но недостаточна для возбуждения активной среды
источника подсветки (l=90 см, d=5 см, V=1767 см3).
В третьей главе приводится краткое описание реализованного макета
бистатического лазерного монитора (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема макета бистатического лазерного монитора.
Макетсодержитисточникподсветки(1),снабженный
плоскопараллельным резонатором (2, 3). Излучение источника подсветки
направлялось на объект наблюдения (4) с помощью зеркала (5). Далее
излучение, отраженное от объекта наблюдения (4), с помощью зеркала (6)
направлялось на вход оптической системы, состоящей из нейтральных
светофильтров (7) и объективов (8, 9). Объектив (8) присутствовал в
оптической системе всегда, в то время как объектив (9) добавлялся в тех
случаях, когда расстояние между объектом наблюдения (4) и усилителем
яркости (10) превышало 1,5 м. При формировании изображения в
моностатической схеме лазерного монитора положение объектива (8)
определялось дистанцией визуализации. Активная среда усилителя яркости
(10) возбуждалась в тот момент, когда на вход его ГРТ поступало изображение
объекта наблюдения (4). Усиленное по яркости изображение проецировалось
на экран (11) и регистрировалось фото/видеокамерой (12). Энергетические
параметрыизлученияусилителяяркости(10)определялиськакв
однопроходном режиме, так и в режиме генератора – для этого в схему
добавлялись зеркало (13) и плоскопараллельная пластина (14), а на выходе
усилителя яркости устанавливался измеритель мощности (15). Излучение
источника подсветки при этом перекрывалось блокировочным экраном (16).
Для определения временных сдвигов между импульсами излучения источника
подсветки (1) и усилителя яркости (10) использовались коаксиальные
фотоэлементы (17, 18), которые подключались к цифровому осциллографу
(19) для регистрации временной развертки сигналов.
Реализованный макет бистатического лазерного монитора используется
для визуализации тестовых объектов с высокой отражательной способностью
(металлическая линейка, монета, щель монохроматора). Изображения
объектовпоочередноформируютсявсхемахмоностатическогои
бистатического лазерного монитора (Рисунок 2), а также в отдельных случаях
с помощью лазерной подсветки.
а)б)
Рисунок 2 – Визуализация тестового объекта (металлической монеты) в моностатической
(а) и в бистатической схемах лазерного монитора (б), а также соответствующие им
графики распределения яркости пикселей вдоль обозначенных вертикальных прямых.
Продемонстрировано, что использование независимого источника
подсветки позволяет увеличить яркость изображений не менее, чем в 2,7 раза
по сравнению с изображениями в моностатической схеме лазерного монитора.
Область зрения при этом была увеличена не менее, чем в 1,6 раза.
Максимальные значения указанных параметров зависят от ряда факторов,
таких как отражательная способностью объекта, его расположение,
радиальное распределение мощности лазерного пучка, а также особенностей
компонентов оптической системы и ее конфигурации. Показано, что
увеличение яркости изображений в бистатической схеме лазерного монитора
относительно моностатической схемы возможно в пределах (10÷170) %, а
области зрения – (10÷350) %. Минимальное увеличение локального контраста
составило 40 %. Наибольшее увеличение области зрение было достигнуто в
схеме с неустойчивым телескопическим резонатором при использовании
дополнительного объектива, фокусирующего излучение источника подсветки
на объекте наблюдения.
Такжепоказано,чтояркостьиконтрастностьизображений,
сформированных в бистатической схеме лазерного монитора, зависят от
временного сдвига (tс) между импульсами излучения подсветки и усиления
(Рисунок 3). Это соотносится с зависимостью мощности излучения MOPA
системы от временного сдвига между импульсами излучения ее активных
элементов (Рисунок 4, а).
а)б) tc= -40 нсв) tc= -20 нсг) tc= -12 нс
Рисунок 3 – Изображения тестового объекта (металлической монеты) на выходе
усилителя яркости в схемах моностатического (а) и бистатического (б, в, г) лазерного
монитора при различном временном сдвиге (tc) между импульсами подсветки и усиления.
а)б)
Рисунок 4 – а) Зависимость мощности излучения MOPA системы в отсутствии (1)
и при введении (2) в активный объем усилителя водородосодержащей добавки (HBr);
б) Осциллограммы импульса излучения источника подсветки (1), сверхизлучения
усилителя яркости (2) и усиленного сигнала (3) при заданном временном сдвиге (tc).
Одной из ключевых задач диссертационного исследования являлось
увеличение предельной дистанции между объектом наблюдения и лазерным
монитором. Впервые продемонстрировано, что бистатическая схема лазерного
монитора позволяет визуализировать объект наблюдения на дистанции 15,5 м.
Следовательно, дистанция визуализации по сравнению с моностатическим
лазерным монитором (3,3 м) была увеличена в 4,7 раза. Изменение расстояния
между усилителем яркости и объектом исследования требовало подстройки
временногосдвигамеждуформированиемимпульсоввозбуждения
(излучения)активныхэлементовпосредствомреализованного
высоковольтного модулятора (Рисунок 4, б).
Экспериментально установлено, что визуализация в схемах лазерного
монитора осложняется «техническим шумом», обусловленным отражениями
усиленного спонтанного излучения усилителя яркости от компонентов
оптической схемы (Рисунок 5, а). Продемонстрировано, что регулировка
временного сдвига между импульсом подсветки и импульсом сверхизлучения
усилителя яркости (импульсом усиления) в бистатической схеме лазерного
монитора приводит к устранению или минимизации возникающих при этом
оптических искажений за счет эффективного съема инверсной населенности в
активной среде усилителя полезным сигналом (оптическим изображением).
а)б)
Рисунок 5 – Визуализация тестового объекта (щели монохроматора) в моностатической (а)
и бистатической схемах лазерного монитора (б), а также графики распределения яркости
пикселей вдоль обозначенных вертикальных прямых.
Вкачествеальтернативногоспособаувеличениясоотношения
полезного сигнала и шума рассматривается снижение концентрации активного
вещества усилителя, что приводит с одной стороны к уменьшению усиления
среды, а с другой – к уменьшению усиленного спонтанного излучения
усилителя, которое является источником «технического шума».
Пространственное разрешение реализованного макета бистатического
лазерного монитора определялось исходя из зависимостей распределения
яркости пикселей вдоль горизонтальных линий, на полученных изображениях
(Рисунок 6). Установлено, что при дистанции визуализации 1 м предельное
разрешение составляет не хуже 1 мкм; при дистанции визуализации 3 м –
не хуже 20 мкм; при дистанции визуализации 10 м – не хуже 440 мкм.
а) 320 мкмб) 100 мкмв) 1 мкмг)
Рисунок 6 – Определение пространственного разрешения макета бистатического
лазерного монитора: а) оптическая мира – 320 мкм; б) щель монохроматора – 100 мкм;
в) щель монохроматора – 1 мкм; г) график распределения яркости пикселей вдоль
горизонтальной линии на изображении «в».
В четвертой главе приводятся результаты апробации реализованного
макетабистатическоголазерногомониторапривизуализации
быстропротекающих процессов с мощной фоновой засветкой: горение
бенгальской свечи, разрушение графитовых электродов при зажигании
электрической дуги, самораспространяющийся высокотемпературный синтез
(СВС), горение проволок из никеля и алюминия. Показано, что при
визуализации объектов сложной формы с выраженным рельефом (скрутка
двух проволок) и малого размера (350-400 мкм) яркость и контрастность
существенно выше в бистатической схеме лазерного монитора (Рисунок 7).
а)б)
Рисунок 7 – Визуализация объекта наблюдения (скрутка двух проволок) в
моностатической (а) и бистатической (б) схемах лазерного монитора.
Визуализацияпроцессагоренияпроволоквыполнена какпри
возбуждении активной среды усилителя яркости источником накачки на
основе тиратрона, так и полупроводниковым источником. Примеры
полученных изображений представлены на Рисунке 8. В подписях к
Рисунку 8 указано время с момента инициирования процесса горения.
а) 63 мсб) 64,5 мсв) 64,75 мс
Рисунок 8 – Визуализация процесса горения скрутки двух проволок (из никеля и
алюминия) в бистатической схеме лазерного монитора.
На изображениях видно плавление проводников, а также их
последующий разрыв, сопровождающийся разлетом капель размером 80 мкм.
Скорость съемки составила 15∙103 кадров/сек. Каждый кадр формировался
одним импульсом усиления и подсветки.
В заключении формулируются основные результаты и выводы:
1. Изучены принципы спектральной и временной фильтрации
оптических изображений в лазерных активных средах на парах бромида меди.
Рассмотрены недостатки лазерного монитора и предложено использовать
независимый источник подсветки для их устранения или минимизации.
2. Разработаныиапробированытехническиерешениядля
синхронизацииимпульсно-периодическихрежимовработыусилителя
яркости и источника подсветки на парах бромида меди.
3. Реализован макет бистатического лазерного монитора на основе
разработанной системы синхронизации с высоковольтным модулятором.
Установлено, что при джиттере импульсов излучения ≤7 нс яркость
изображений, регистрируемых в режиме покадровой съемки, изменяется не
более, чем на 10%.
4. Реализованыполупроводниковыеисточникипитания
малогабаритных усилителей яркости (l=40 см, d=2,5 см, V=196 см3) с
мощностью накачки 475 Вт, согласование частотно-временных параметров
которых осуществляется с дискретностью не хуже 1 нс и средним джиттером
импульсов возбуждения 2 нс.
5. Установлено, что реализованный макет бистатического лазерного
мониторапозволяетосуществлятьвизуально-оптическуюдиагностику
объектов и быстропротекающих процессов, экранированных широкополосной
фоновой засветкой, с областью зрения до 64,5 мм, пространственным
разрешением до 1 мкм и дистанцией визуализации до 15,5 м.
6. Продемонстрировано, что реализованный макет бистатического
лазерного монитора по сравнению с моностатическим лазерным монитором
позволяет увеличить область зрения минимум в 1,6 раза и максимум (в рамках
проделанной работы) – в 4,6 раз (в зависимости от используемой оптической
системы). Яркость изображений была увеличена в 2,73 раза (соотношение в
относительных единицах зависит от конфигурации оптической схемы).
7. Показано, что «технические шумы», обусловленные паразитными
отражениями усиленного спонтанного излучения усилителя яркости от
компонентов оптической схемы, могут быть устранены или минимизированы
при временном согласовании режимов работы усилителя яркости и источника
подсветки, а также за счет снижения концентрации активного вещества.
8. Проведена визуализация ряда быстропротекающих процессов с
фоновой засветкой: горение бенгальской свечи, разрушение графитовых
электродовпризажиганииэлектрическойдуги,горение
металлокерамического порошка (СВС) и горение скрутки проволок из никеля
и алюминия. Полученные изображения не содержат фоновой засветки и
пригодны для визуального и математического анализа.
Визуально-оптическая диагностика объектов и процессов предполагает
выделение оптического спектра с наибольшим отношением полезного сигнала
к шуму, то есть спектральную фильтрацию. В особенности такая потребность
возникает при изучении процессов в условиях яркого фонового излучения.
Типичными примерами таких процессов являются сварочные процессы [1–6],
электрообработка металлов [6,7], лазерная микрообработка [8–10], получение
наноматериалов [11–13] и другие [14–17].
Существуют принципиально разные подходы спектральной
фильтрации. Один из них базируется на использовании оптических фильтров
с узкой полосой пропускания, в том числе перестраиваемые фильтры,
например, акусто-оптические или интерференционные [18–21]. Другой
подход представляет собой компьютерную обработку регистрируемых
оптических сигналов [22–24]. Также прибегают и к комбинированию данных
методов. Однако в большинстве случаев такие меры позволяют выделить
диапазон оптического спектра порядка нескольких десятков нм, а
используемые для этого лазерные источники подсветки (Cavitar, Финляндия;
Oxford Lasers, Великобритания) [5] и оптические фильтры (EKSMA OPICS,
Литва; Camera IQ “Камера Ай-Кью”, Москва) [25,26] отличаются высокой
стоимостью.
Известно, что применение активных оптических систем на парах
металлов, лазерных мониторов, обеспечивает узкополосное усиление сигнала
в спектральном диапазоне до 10 пм [27]. В ряде научных работ исследованы
возможности моностатической схемы лазерного монитора и указаны ее
ограничения, обусловленные взаимосвязью параметров подсветки и усиления
активной среды на переходах в парах металлов [28–31]. Использование двух
активных сред позволяет решить данную проблему: одна активная среда
используется для подсветки объекта (процесса) исследования, а другая – для
спектральной фильтрации и усиления полученного оптического изображения.
Активная оптическая система, работающая по такому принципу, получила
название бистатический лазерный монитор (лазерный монитор с независимым
источником подсветки).
Очевидно, что преимущества бистатического лазерного монитора [32]
могут быть реализованы на практике лишь при согласовании импульсно-
периодических режимов работы двух активных сред – сделать это можно лишь
за счет согласования частотно-временных параметров их накачки. Каждый
источник накачки содержит цифровые и высоковольтные блоки,
следовательно, синхронизировать их работу можно по одному из этих двух
каналов.
Синхронизация цифровых блоков источников накачки проще с
технической точки зрения, однако ее надежность в наносекундном диапазоне
и в условиях электромагнитных помех ставится под сомнение. В связи с этим,
необходимо исследовать способы синхронизации по каждому каналу
(цифровому и высоковольтному) выявить наиболее приемлемый вариант.
Такое исследование требует решения ряда технических задач, среди которых:
реализация цифровой схемы синхронизации, реализация высоковольтного
устройства синхронизации (модулятора), разработка универсальной системы
управления модулятором и источниками накачки активных элементов,
создание программного обеспечения для схем управления.
Для исследования выбраны активные среды на парах бромида меди,
которые характеризуются высокой спектральной яркостью, узкой
спектральной линией, большим коэффициентом усиления и высокой
однородностью среды [28,33–36].
Таким образом, объектом исследования являются системы
формирования усиленных по яркости изображений.
Предметом исследования является методы и средства визуально-
оптической диагностики объектов в условиях широкополосной фоновой
засветки с использованием лазерных усилителей яркости.
Степень разработанности темы
Узкая спектральная линия (≤10 пм), высокий коэффициент усиления
(103÷104), а также высокая однородность среды делают лазерные
проекционные системы на основе усилителей яркости на парах металлов
мощным диагностическим инструментом для ряда научных и промышленных
процессов [28,33–36].
Исследования лазерного проекционного микроскопа были
инициированы в 1974 году Петрашом Г.Г. [37]. Под его руководством была
показана возможность формирования изображения в лазерных проекционных
микроскопах в отраженном и проходящем свете [37–39]. Реализованные
проекционные системы нашли свое применение в биологии и медицине [40].
В 1980-х годах лазерные проекционные микроскопы стали
использоваться для визуализации объектов, скрытых от наблюдателя
широкополосной фоновой засветкой [7,8,41]. Для регистрации наблюдаемого
процесса и его последующего изучения все чаще стали применяться
скоростные видеокамеры и математический анализ изображений.
Лазерный проекционный микроскоп, снабженный высокоскоростной
видеорегистрирующей аппаратурой, получил название лазерный монитор –
это понятие было введено И.И. Климовским, и оно хорошо отражает функцию
такой активной оптической системы [42].
Большой пласт работ посвящен изучению возможностей лазерного
монитора. С помощью этого устройства исследовались такие процессы как
самораспространяющийся высокотемпературный синтез [14], коронный
разряд [43], эволюция лазерного факела в процессе получения нанопорошка
[44], синтез алмаза [45] и др. Накопленный опыт работы позволил
сформулировать основные недостатки лазерного монитора. Во-первых, это
относительно малая предельно допустимая дистанция визуализации, которая
составляет 3,3 м [30], что обусловлено длительностью импульса усиленного
спонтанного излучения (сверхсветимости). Другим важным ограничением
является невозможность независимой регулировки интенсивности подсветки
и коэффициента усиления [30,46]. Также очевидно, что область зрения
лазерного монитора определяется оптикой, используемой для построения
изображения, поскольку подсветка объекта исследования осуществляется
через объектив, формирующий входной сигнал (изображение) для усилителя
яркости. Следовательно, модификация оптической системы в данном случае
весьма ограничена.
В работах [46,47] был предложен вариант лазерной проекционной
системы с автономной подсветкой излучением вспомогательного лазера.
Показано, что системы с независимой подсветкой обладают более широкими
функциональными возможностями. Во-первых, независимое освещение
способствует увеличению эффективного поля зрения в (1,5÷2) раза. Во-
вторых, при большей освещенности объекта удается получить более
контрастные изображения.
Проекционная система с автономным источником подсветки не
получила широкого распространения. В первую очередь это связано со
сложностью реализации и эксплуатации системы, поскольку ее применение
подразумевает согласование импульсно-периодических режимов работы двух
активных элементов на переходах атомов металлов. Другим сдерживающим
фактором было отсутствие скоростной видеорегистрирующей аппаратуры на
этапе развития лазерных проекционных систем, а также ограниченный
перечень задач, где такие системы могли быть использованы.
В настоящее время изложенный в работах [46,47] подход может быть
использован для устранения или минимизации вышеуказанных недостатков
лазерного монитора. Синхронизация лазерного монитора с независимым
источником подсветки обеспечивает разделение функций подсветки и
усиления. Такой подход дает возможность регулировать уровень
освещенности объекта и коэффициент усиления независимо друг от друга.
Кроме того, появляется возможность увеличить дистанцию визуализации, а
также область зрения лазерного монитора. В этой связи реализация такой
лазерной проекционной системы вызывает неподдельный научный интерес.
Поскольку лазерный монитор с независимым источником подсветки содержит
два активных элемента, было предложено называть такую систему
бистатическим лазерным монитором, а традиционный вариант лазерного
монитора – моностатическим.
Вопросу синхронизации импульсно-периодических режимов работ
всегда уделяется внимание при реализации системы «Генератор – Усилитель
мощности» (MOPA-системы) [35,48]. Например, существует диссертационная
работа, где представлена лазерная система (ЗГ – ПФК – УМ), содержащая два
активных элемента на парах меди [49]. Автор указанной работы пишет, что
синхронизация во времени импульсов излучения от задающего генератора
(ЗГ) и усилителя мощности (УМ) обеспечивается наносекундной линией
задержки “с точностью не хуже ±2 нс”. Другим примером является работа [50],
в которой используется устройство, формирующее импульсы накачки для
двух лазерных активных элементов на парах бромида меди. Каждый из
активных элементов обладает собственным источником накачки,
модулятором и блоком запуска. Для синхронного управления источниками
накачки используется внешний генератор импульсов, к одному из выходных
каналов которого подключается линия временной задержки с дискретностью
2,5 нс. Следует подчеркнуть, что в указанных работах констатируют факт
синхронизации работы двух лазерных активных элементов, но не раскрывают
используемые для этого технические решения.
Исходя из всего вышеперечисленного становится очевидным, что
реализация системы синхронизации импульсно-периодических режимов
работы источника подсветки и усилителя яркости позволит существенно
расширить возможности лазерного монитора при визуально-оптической
диагностики объектов и процессов, в том числе в условиях широкополосной
фоновой засветки.
Объект и предмет исследования
Объект исследования: систем формирования и регистрации
изображений видимого диапазона спектра.
Предмет исследования: активная оптическая система с усилителем
яркости изображения и независимым источником подсветки на основе
активных сред на парах бромида меди.
Цель и задачи
Целью настоящей работы является разработка активной оптической
системы с усилителем яркости изображения и независимым источником
подсветки на парах бромида меди и исследование возможностей такой
системы в области визуально-оптической диагностики объектов и процессов,
экранированных фоновым излучением, при их дистанционном расположении.
Для достижения цели были сформулированы следующие задачи:
1. Провести анализ ограничений, присущих активным оптическим
системам с усилителями яркости изображений на парах бромида меди.
2. Разработать устройство синхронизации импульсно-периодических
режимов двух активных элементов на парах бромида меди (усилителя
яркости и источника подсветки) и реализовать на его основе макет
бистатического лазерного монитора.
3. Определить основные параметры реализованного макета
бистатического лазерного монитора (область зрения, яркость и
контрастность формируемых изображений, пространственное
разрешение, предельно допустимая дистанция визуализации).
4. Установить влияние параметров синхронизации, усиления и подсветки
на численные показатели формируемых изображений.
5. Провести апробацию разработанного макета бистатического лазерного
монитора при визуализации быстропротекающих процессов,
экранированных широкополосной фоновой засветкой.
Научная новизна
Впервые экспериментально доказано, что предельно допустимая
дистанция визуализации лазерного монитора на парах бромида меди (3,3 м),
ограниченная длительностью импульса излучения усилителя яркости
(30-50 нс), может быть увеличена (не менее, чем до 15,5 м) за счет
независимого источника подсветки с тем же активным веществом при
синхронизации их импульсно-периодических режимов работы.
Установлено, что соотношение «полезный сигнал/шум» в лазерном
мониторе может быть увеличено за счет использования независимого
источника подсветки, импульсно-периодический режим работы и
спектральный состав излучения которого согласован с усилителем яркости.
В бистатическом лазерном мониторе снижение уровня технического
шума достигается за счет уменьшения концентрации паров рабочего вещества
усилителя яркости.
Показано, что бистатическая схема лазерного монитора при
дистанции визуализации 1 м обеспечивает формирование изображений с
пространственным разрешением не хуже 1 мкм с яркостью и контрастом
существенно выше, чем в моностатической схеме лазерного монитора.
Практическая значимость работы
Разработан и реализован в виде действующего макета высоковольтный
модулятор [51], предназначенный для синхронизации импульсно-
периодических режимов работы двух активных элементов на парах
галогенидов металлов и обеспечивающий плавную регулировку импульсов
излучения в диапазоне от -55 до +55 нс.
Реализован действующий макет бистатического лазерного монитора,
позволяющий осуществлять визуально-оптическую диагностику объектов и
быстропротекающих процессов, экранированных широкополосной фоновой
засветкой, с областью зрения до 64,5 мм, пространственным разрешением до
1 мкм и дистанцией визуализации до 15,5 м [52].
Экспериментально показано, что численные показатели качества
изображений, формируемых в бистатическом лазерном мониторе, зависят от
временного сдвига между импульсами излучения источника подсветки и
усилителя яркости. При оптимальном временном сдвиге и джиттере
импульсов излучения ≤7 нс яркость изображений, формируемых в
бистатической схеме лазерного монитора, изменяется не более, чем на 10 %
(в режиме покадровой съемки).
Реализованы полупроводниковые источники питания активных
элементов с мощностью накачки 475 Вт, согласование частотно-временных
параметров которых осуществляется с дискретностью не хуже 1 нс и
джиттером импульсов возбуждения не более 4 нс.
Результаты исследования были использованы при выполнении
программы УМНИК № 11846ГУ/2017, гранта РНФ № 14-19-00175
«Скоростные усилители яркости на переходах в парах металлов» (2017-2018),
гранта РФФИ № 19-38-90042 «Бистатический лазерный монитор для задач
неразрушающего контроля» (2019-2021) и гранта РНФ «Функциональные
преобразователи оптических сигналов в видимом и ближнем ИК диапазонах»
(2019-2022).
В рамках работы был выполнен хоздоговор № 010/17-5 от 26-го июня
2017 г. на изготовление, поставку и выполнение пуско-наладочных работ
CuBr-лазера для визуализации сварочных процессов. Результаты работы
используются при выполнении научно-исследовательских работ в ИФПМ СО
РАН и ЮТИ ТПУ.
Методология и методы исследования
Активные среды на парах бромида меди исследовались как в режиме
усиления яркости изображения, так и в режиме генератора – для этого
определялись энергетические, частотные, спектральные и временные
характеристики сверхизлучения и генерации. Мощность излучения
регистрировалась измерительными приборами Ophir 30C-SH и ИМО-2Н.
Электрические параметры импульсов возбуждения активных элементов
регистрировались высоковольтным измерительным щупом Tektronics P6015A
и датчиком тока Pearson Current Monitors 8450.
Для регистрации импульсов излучения использовались два
коаксиальных фотоэлемента (ФЭК-14К), которые подключались к
осциллографу (LeCroy WJ324 A, RIGOL DS1074B или Rigol MSO1104Z).
Изображения, полученные в схемах лазерного монитора,
регистрировались камерой машинного зрения Baumer VLG-20C и скоростной
камерой AOS Q-PRI. Область зрения, яркость и локальный контраст
изображений оценивались с помощью программ ImageJ и Origin.
Положения, выносимые на защиту
1. Синхронизация импульсно-периодических режимов работы источника
подсветки и усилителя яркости на парах бромида меди позволяет
проводить визуализацию объектов и процессов, экранированных
фоновым излучением, при их расположении на расстоянии до 15,5 м, а
также с большей областью зрения на (10-350) %, большей яркостью на
(10-170) % и более высоким контрастом (не менее, чем на 40 %) по
сравнению с визуализацией в лазерном мониторе без дополнительного
источника подсветки.
2. Искажения изображений, обусловленные техническими шумами
лазерного монитора, устраняются за счет временного согласования
режимов работы источника подсветки и усилителя яркости, а также за
счет уменьшения концентрации активного вещества усилителя яркости.
3. Бистатический лазерный монитор с временным разрешением не менее
66,5 мкс для визуализации объектов сложной формы, а также с низкой
отражательной способностью, в условиях широкополосного фонового
излучения с пространственным разрешением не хуже 1 мкм при
дистанции визуализации 44 см и расстоянии между объектом
наблюдения и объективом 9,5 см.
Личный вклад автора
Результаты диссертационной работы, составившие основу защищаемых
положений, получены автором самостоятельно или при непосредственном
участии. Постановка задачи исследования, обобщение результатов и
формулировка защищаемых положений проводились совместно с научным
руководителем. Автор принимал участие в изготовлении источников питания
активных элементов усилителей яркости, их систем управления, систем
синхронизации и систем термостабилизации, а также в разработке
экспериментальных стендов для проведения исследований. Кроме того,
автором выполнялись подготовка и проведение экспериментов, а также
обработка полученных результатов.
Достоверность и апробация результатов
Результаты получены с использованием современного технического
оборудования, полный перечень которого представлен в Главе 2.
Сформулированные выводы не противоречат основным законам физики.
Также о достоверности полученных результатов говорит их многократная
воспроизводимость.
Материалы, полученные в рамках выполнения диссертационной работы,
были представлены на конференциях различного уровня, в частности на 24-ой
и 25-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых
ученых «ВНКСФ» (2018, 2019); XIII, XIV и XV Международной конференции
по импульсным лазерам и применениям лазеров «AMPL» (2017, 2019, 2021);
XVII и XIX Международной конференции молодых специалистов по
микро/нанотехнологиям и электронным приборам «EDM» (2016, 2018);
XXVI Международной конференции «Лазерно-информационные технологии
в медицине, биологии, геоэкологии» (2018); Международной научно-
технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного
приборостроения» (2018); VIII Международной научно-технической
конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии
в современной науке и технике» (2019); XII Международной конференции
«Фундаментальные проблемы оптики» (2020); XIX Международной
конференции по лазерной оптике «ICLO» (2020).
Публикации
Материалы диссертации в полном объеме представлены в научной
печати. Всего опубликовано 28 работ, в том числе 3 статьи в российских
научных журналах (Оптика атмосферы и океана, Приборы и техника
эксперимента), рекомендованных ВАК для опубликования основных научных
результатов диссертаций, и 3 статьи в зарубежных научных журналах (Applied
Physics B: Lasers and Optics, Optics Communications), индексируемых
библиографическими базами данных Web of Science и Scopus. Также 7 работ
опубликовано в трудах конференций, индексируемых Web of Sciences и
Scopus. Получено 5 охранных документов.
Структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,
списка используемых источников. Объем работы составляет 157 страниц,
включает 92 рисунка, 2 таблицы, 104 источника и 7 приложений.
Читать «Бистатический лазерный монитор для визуально-оптической диагностики объектов и процессов, экранированных широкополосной фоновой засветкой»
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (9 отзывов)
5 (14 отзывов)
4.8 (17 отзывов)
4.8 (211 отзывов)
5 (44 отзыва)
4.6 (92 отзыва)
4.2 (25 отзывов)
4.9 (66 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
