Способ визуализации динамических процессов в жидкостях и газах

Способ визуализации динамических процессов в жидкостях и газах

Реферат

Предлагаемое техническое решение относится к оптическому приборостроению, а именно к способам и устройствам для исследования оптических неоднородностей в прозрачных средах и получения изображения градиентных объектов.

Известны способы получения изображения оптических неоднородностей в средах, основанные на теневом методе визуализации прозрачных неоднородностей (Л.А. Васильев. «Теневые методы», М., Наука, 1969 г.; Н.Г.Ерлов. «Оптика моря», Гидрометеоиздат, Л., 1980 г.).

Недостатком известных способов и различных модификаций устройств, их реализующих, является низкая разрешающая способность оптической системы, обусловленная особенностями визуализации прозрачных неоднородностей, принципиально присущими теневому методу вследствие наличия теневого ножа.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути является решение, описанное в патенте РФ на изобретение №2344409, приоритет от 02.10.2007 г. Известный способ реализуется с помощью устройства, содержащего систему излучения, иллюминаторы, ограничивающие просмотровый объем, отражатель, проекционные объективы, формирующие изображения на ПЗС-матрице телевизионной камеры.

Недостатком этого решения является ограниченный просмотровый объем среды, поскольку устройство необходимо помещать непосредственно в место нахождения исследуемых неоднородностей, а также необходимость выноса отражателя за борт судна, что усложняет процесс измерения.

Техническим результатом предлагаемого способа является получение изображения оптических неоднородностей среды с больших расстояний в динамическом режиме и в неограниченном объеме исследуемой среды.

Это достигается тем, что способ визуализации динамических процессов в жидкостях и газах, включающий метод пространственно-временной селекции лазерного излучения, отличается тем, что в заявляемом способе для визуализации неоднородностей среды используют обратное рассеяние лазерного излучения, для чего осуществляют подсвечивание реальной среды импульсным излучением лазера, затем производят пространственно-временную селекцию излучения обратного рассеяния затвором телевизионной камеры, синхронизированным с импульсным режимом лазера, получают изображение в плоскости ПЗС-матрицы телевизионной камеры с конечного расстояния, определяемого заданным режимом пространственно-временной селекции, ограничивают боковые пучки в фокальной плоскости объектива телевизионной камеры для увеличения контрастности изображения и далее производят наблюдение и регистрацию полученного изображения.

Преимущества предлагаемого способа заключаются в возможности получения изображения неоднородностей среды с большого расстояния от устройства, в возможности изменения дистанции до исследуемого среза водной среды, в отсутствии необходимости размещения элементов конструкции устройства в исследуемой среде.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена функциональная схема устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ.

Способ реализуют следующим образом.

Устройство представляет собой телевизионную систему с лазерной подсветкой с пространственно-временной селекцией. Оно содержит источник 1 излучения - неодимовый лазер с λ=0,532 мкм, работающий в импульсном режиме с регулируемой частотой, поворотное устройство 2, состоящее из двух зеркал и обеспечивающее совмещение оси лазерного луча и длиннофокусного объектива 3 телевизионной камеры 4 с ПЗС-матрицей 5, диафрагмой 6, установленной в фокальной плоскости объектива, и затвором 7 телевизионной камеры, синхронизированным с импульсным режимом лазера. Телевизионная камера 4 соединена с персональным компьютером 8 и дисплеем 9. Процесс наблюдения осуществляют через герметичный иллюминатор 10, конструктивно связанный с телевизионной системой.

Процесс измерения производят следующим образом.

Луч лазера 1 через поворотные зеркала 2, обеспечивающие совмещение оси луча с оптической осью объектива 3 и иллюминатор 10, освещает исследуемую среду. Рассеянное назад излучение проходит через иллюминатор 10 и фокусируется объективом 3 в фокальной плоскости, где установлена диафрагма 6, ограничивающая боковые пучки, обеспечивая повышение контраста изображения. Изображение формируется в плоскости ПЗС-матрицы 5 телевизионной камеры 4. Затвор 7 телевизионной камеры открывается с задержкой Δt относительно фронта импульса лазера, что обеспечивает пространственно-временную селекцию обратного рассеянного излучения из ближней зоны, уменьшая фоновую засветку, тем самым увеличивая контраст изображения. Регулировкой времени задержки Δt обеспечивается получение изображения толщи среды на разных расстояниях. При изменении расстояния до наблюдаемого объема обеспечивается дополнительная фокусировка изображения, поскольку ПЗС-матрица должна находиться в плоскости, сопряженной с плоскостью наблюдения. Сигнал телевизионной камеры 4 выводится на дисплей 9 персонального компьютера 8 как в динамическом режиме, так и в режиме стоп-кадра.

Использование заявленного решения, по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения, обеспечивает следующие преимущества:

- получение изображения неоднородностей среды с большого расстояния в динамическом режиме;

- возможность изменения дистанции до исследуемого среза среды;

- исключение влияния вибраций среды на элементы прибора и соответственно на качество изображения.

Результаты проведенных исследований могут быть использованы при создании устройств наблюдения градиентных объектов различного происхождения.

1. Способ визуализации динамических процессов в жидкостях и газах, заключающийся в освещении исследуемой среды излучением лазера, фокусировке излучения в фокальной плоскости объектива телевизионной камеры и формировании изображения в плоскости ПЗС-матрицы телевизионной камеры, отличающийся тем, что используют обратное рассеяние импульса излучения лазера, ограничивают боковые пучки в фокальной плоскости объектива телевизионной камеры, а затвор телевизионной камеры открывают с задержкой относительно фронта импульса лазера, которую регулируют для получения изображений толщи среды на разных расстояниях для пространственно-временной селекции излучения обратного рассеяния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсное лазерное излучение генерируют с помощью неодимового лазера.