Спосіб виявлення джерел інфрачервоного випромінювання

1. Спосіб виявлення джерел інфрачервоного випромінювання, що включає прийом та перетворення, за допомогою фотоприймача, інфрачервоного випромінювання в електричний сигнал у вигляді суміші корисного сигналу і маскуючого шуму, посилення, квазіоптимальну фільтрацію і детектування, який відрізняється тим, що квазіоптимальну фільтрацію здійснюють шляхом нормалізації маскуючого шуму, для чого послідовно проводять широкосмугову фільтрацію, обмеження амплітуди маскуючих шумових викидів та їх вузькосмугову фільтрацію з подальшим амплітудним детектуван C2 2 95584 1 3 95584 рачервоного випромінювання, у якому за рахунок створення нової сукупності ознак була б підвищена чутливість. Для вирішення поставленої задачі в способі, вибраному за найближчий аналог, що включає прийом та перетворення, за допомогою фотоприймача, інфрачервоного випромінювання в електричний сигнал у вигляді суміші корисного сигналу і маскуючого шуму, посилення, квазіоптимальну фільтрацію і детектування, згідно з винаходом, квазіоптимальну фільтрацію здійснюють шляхом нормалізації маскуючого шуму, для чого послідовно проводять широкосмугову фільтрацію, обмеження амплітуди маскуючих шумових викидів та їх вузькосмугову фільтрацію з подальшим амплітудним детектуванням при зростаючому рівні амплітудної селекції отриманої суміші відфільтрованого сигналу і нормалізованого маскуючого шуму, а потім усереднюють частоти маскуючих шумових викидів, що перевищують вибраний рівень амплітудної селекції, зіставляють одержані значення середніх частот маскуючих шумових викидів з еталонними значеннями і за результатом порівняння судять про наявність джерел інфрачервоного випромінювання. При цьому, за умов наявності джерел безперервного або квазібезперервного інфрачервоного випромінювання перед прийомом інфрачервоного випромінювання за допомогою фотоприймача попередньо здійснюють модулювання інфрачервоного випромінювання, крім того, перед проведенням квазіоптимальної фільтрації додатково виконують синхронне з частотою модуляції детектування отриманої суміші промодульованого сигналу і маскуючого шуму, а вузькосмугову фільтрацію здійснюють на частоті попередньо проведеної модуляції. За умови наявності джерел періодичного або квазіперіодичного інфрачервоного випромінювання частоту вузькосмугової фільтрації вибирають рівно частоті проходження імпульсів від зазначених джерел інфрачервоного випромінювання зі смугою пропускання у межах нестабільності (аритмії) частоти проходження цих імпульсів. Сукупність суттєвих ознак способу, що заявляється, дозволяє в значній мірі підвищити чутливість способу і виявляти корисні сигнали з рівнем нижчим за рівень шумів, що маскують сигнали. X P 0 1 0,69 0,5 1 0,32 З таблиці видно, що підвищуючи рівень амплітудної селекції, можна значною мірою скоротити число викидів шуму і цим послабити його маскуючу дію. В разі використання для нормалізації шумів високодобротного коливального контуру середня частота викидів нормального шуму із спектральною щільністю Гауса визначиться виразом Nx   f0 1  x2 2   20 2  1  f  e 2  f0    , (3) 4 Здійснюють спосіб таким чином. В разі безперервного випромінювання, інфрачервоне випромінювання, що надходить від термовипромінюючого об'єкта на приймач, модулюють. Частоту модуляції встановлюють так, щоб вона збігалася з частотою мінімальної спектральної щільності власних шумів підсилювача електричних сигналів. Підсилюють суміш сигналу і шуму до рівня, достатнього для його фільтрації і детектування амплітудним детектором. Пропускають суміш сигналу і шуму, що надходить з виходу підсилювача, через електричну систему широка смуга - обмежувач амплітуди вузька смуга. Цим виробляють квазіоптимальну фільтрацію тій, що надходить з виходу підсилювача, суміші корисного сигналу і шуму і нормалізацію шумів. Здійснюють селекцію по амплітуді викидів суміші сигналу і шуму на виході нормалізатора при зростаючому рівні селекції і реєструють середню частоту викидів на кожному рівні селекції. Порівнюють отримані співвідношення з еталонними і за результатами порівняння приймають рішення про наявність і рівень інфрачервоного випромінювання. В разі проведення модуляції безперервного ІЧвипромінювання, що надходить на фотоприймач, перед амплітудною селекцією здійснюють синхронне з частотою модуляції детектування суміші сигналу і шуму. Тим самим додатково підвищують чутливість способу. При імпульсному характері випромінювання тип транзистора і його режим вибирають таким чином, щоб мати мінімальне значення рівня шуму першого каскаду посилювання сигналу на частоті проходження імпульсів ІЧ-випромінювання. Для оцінки ефективності введення амплітудної селекції скористаємося виразом для вірогідності того, що викид шуму перевищить рівень U  1 2   1  2  exp  U dU . (1) PU  2      2 U  2U   2U2  Якщо представити U через середньоквадрати чне значення шуму, то U  x U2 і формула (1) набере вигляду 12  x2  2  dx  erfc x  , (2)   PU     exp   2  2   x     де еrfc - інтеграл помилок. У таблиці наведена вірогідність Р>U для різних значень X 2 0,045 4 -5 6×10 10 -22 10 де Nx  - середня частота викидів випадкового процесу на виході одинокого коливального контуру 2 за рівень х, σ0 =S0Af, S0 - спектральна щільність шуму усередині смуги Δf з центральною частотою f0 . Знаючи значення N0  і розподіл вірогідності P(x), знаходять середню частоту викидів нормального шуму при будь-якому рівні селекції х: 5 95584 Nx   N0 Px  . (4) За наявності корисного сигналу, справедливість рівності (4) порушиться, оскільки до викидів, обумовлених шумом Гауса, додасться імпульси корисного сигналу. В цьому випадку співвідношення (4) набере вигляду N1x   N0 Px   NИ , (5) де NИ - частота проходження імпульсів ІЧвипромінювання. З виразу (5) видно, що вимір середнього числа викидів при певному рівні амплітудної селекції N1x  і його порівняння з кількістю викидів, обумовлених шумом Гауса, дозволяє визначити присутність інформативного сигналу в суміші сигналу і шуму, при рівнях сигналу, істотно менших, ніж рівень шумів. На кресленні показана функціональна схема пристрою, що реалізовує даний спосіб. Пристрій містить модулятор 1, фотоприймач інфрачервоного випромінювання 2, підсилювач 3, квазіоптимальний фільтр - нормалізатор, що включає широкосмуговий фільтр 4, обмежувач амплітуди 5, вузькосмуговий фільтр 6, вольтметр середньоквадратичного значення напруги 7, селектор імпульсів по амплітуді 8 і вимірювач частоти електроннорахунковий 9. Пристрій працює таким чином. Якщо на фотоприймач не надходить інфрачервоне випромінювання, то підсилювач підсилюватиме власні шуми пристрою, які, надходячи на нормалізатор, збудять в ньому квазігармонійні коливання з середньою частотою: 12  3f 2  f 2   , (6) fc     3   де f - частота резонансу нормалізатора, Δf смуга пропускання нормалізатора. Ці коливання надходять на вхід селектора імпульсів по амплітуді 8, який залежно від встановленого рівня селекції х пропустить на вхід частотоміра імпульси з частотою fi=fcP(x), (7) де Px   erfc x 2 - інтеграл помилок. В цьому випадку вимірювач частоти 9 покаже частоту, яка відповідатиме виразу (7). Якщо на приймач надходить безперервне інфрачервоне випромінювання, воно буде промодульовано модулятором і придбає модуляцію з частотою f. Еле   6 ктричний сигнал, викликаний промодульованим інфрачервоним випромінюванням, спільно з шумом надходить на нормалізатор і засинхронізує коливання вузькосмугового контуру частотою модуляції. В цьому випадку, при зростанні рівня селекції, середня частота імпульсів на виході амплітудного селектора відповідатиме частоті модуляції до тих пір, поки рівень амплітудної селекції не перевищить амплітуду коливань сигналу, викликаного промодульованим інфрачервоним випромінюванням. Справедливість виразу (7) порушиться. Відхилення даних частотоміра при рівнях селекції нижче за рівень сигналу, викликаного інфрачервоним випромінюванням, від значень, знайденого за виразом (6), свідчить про наявність інфрачервоного випромінювання. В разі реєстрації імпульсного періодичного ІЧвипромінювання його модуляцію не здійснюють, а вузькосмуговий фільтр 6 налаштовують на частоту проходження імпульсів ІЧ-випромінювання. Для надійної реєстрації слабкого ІЧвипромінювання необхідно провести попередню обробку шумів, що маскують його, з використанням послідовного проведення широкосмугової частотної фільтрації, обмеження максимального рівня викидів шуму і його приведення до нормального (Гаус) закону розподілу шляхом пропускання через вузькосмуговий фільтр. Проведена після цього амплітудна селекція на регульованому рівні, дозволяє із заданою вірогідністю позбавитися від нормалізованої перешкоди і фіксувати слабке ІЧвипромінювання. Обробка слабкого ІЧ-випромінювання за запропонованим способом забезпечує можливість реєструвати в реальному масштабі часу ІЧвипромінювання з рівнем, значно меншим, ніж рівень шумів, що маскують його та забезпечує істотний техніко-економічний ефект від використання запропонованого способу. Лабораторне випробування пристрою, що реалізує даний спосіб, показало його високу ефективність. Цей пристрій дозволяє виявляти об'єкти ІЧвипромінювання при рівнях сигналу на вході фотоприймача, удвічі менших, ніж середньоквадратичне значення напруги шумів, що маскують сигнал. Такі властивості не мають інші пристрої, які базуються на відомих способах виявлення джерел інфрачервоного випромінювання, що працюють в реальному масштабі часу. 7 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 95584 8 Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601