Устройство и способ оптического сканирования сред, объектов или поверхностей - RU2346314C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к устройству и способу оптического сканирования сред, объектов или поверхностей с помощью отклоняющего зеркала для отклонения светового излучения, причем отклоняющее зеркало соединено с приводом.

Подобные устройства используются, в частности, для сканирования поверхностей, например, чтобы картировать их.

При дистанционном обнаружении или дистанционном установлении местонахождения в воздушном пространстве или атмосфере над землей газов, в частности углеводородов, таких как метан, анализируют свет, идущий от земли или атмосферы вследствие излучения, или рассеяния, или отражения света из источника света. Для этого световое излучение фокусируют с помощью телескопа на детектор. Речь может идти о световом излучении в ультрафиолетовой, видимой или инфракрасной области спектра.

При необходимости достижения высокой чувствительности и/или если количество света, излучаемое атмосферой или поверхностью, относительно мало, то следует использовать телескопы или системы приема с большими оптическими апертурами, диаметр которых может составлять до 10 см.

Для возможности быстрого сканирования поверхности следует либо соответственно быстро перемещать систему приема, либо непрерывно заново ориентировать поле зрения телескопа посредством соответствующего устройства.

Для систем приема или телескопов с большими оптическими апертурами перемещение системы приема или телескопа не рассматривается из-за конструктивной величины и возникающих вследствие этого проблем с приводом.

У систем приема с малыми оптическими апертурами, т.е. диаметрами менее 1 см, известно использование отклоняющих зеркал для отклонения светового излучения между поверхностью или объектом и системой приема. Отклоняющие зеркала приводятся, например, пьезоэлементами или гальвосканерами. Для систем приема с большими оптическими апертурами использование таких приводов неприемлемо или слишком сложно.

Далее из практики известна отклоняющая система с двумя отклоняющими зеркалами, причем первое отклоняющее зеркало отклоняет световой луч на 90°. Посредством второго отклоняющего зеркала, которое снова отклоняет световой луч, поверхность можно просканировать относительно быстро. Правда, использование двух отклоняющих зеркал является конструктивно сложным и дорогостоящим делом.

Также известно отклоняющее зеркало с карданным приводом. Здесь отклоняющее зеркало быстро перемещается вокруг карданных осей. Недостатком являются возникающие при этом очень быстрые ускорения. Быстрое реверсирование движения создает очень быструю механическую нагрузку всех компонентов и требует очень мощных приводов для отклоняющих зеркал, для достижения необходимых сильных ускорений. Кроме того, сильные ускорения вводят в измерительную систему вибрации, которые могут оказывать негативное воздействие.

Задача изобретения состоит, таким образом, в создании конструктивно простого устройства описанного выше типа, с помощью которого можно было бы осуществлять быстрое сканирование больших поверхностей.

Эта задача решается посредством устройства для оптического сканирования сред, объектов или поверхностей с признаками п.1 формулы. Согласно изобретению отклоняющее зеркало выполнено с возможностью вращения, причем нормаль к зеркалу наклонена к оси вращения. Ось вращения проходит перпендикулярно нормали к зеркалу. Во время вращения отклоняющее зеркало совершает качательное движение. Световой луч описывает на целевой поверхности эллипс. Следовательно, скорость сканирования может быть очень большой. Поскольку привод необязательно должен прикладывать большие силы ускорения для вращательного движения, можно использовать недорогой привод малой мощности.

Преимущественно отклоняющее зеркало отклоняет световое излучение на систему приема, содержащую телескоп и детектор. Поскольку могут использоваться телескопы с большой апертурой, устройство особенно пригодно в качестве составной части оптической системы дистанционного обнаружения или дистанционного установления местонахождения газов, в частности углеводородов, таких как метан или природный газ. Для подобных применений предпочтительно, если световое излучение происходит из источника лазерного излучения.

В рамках изобретения световое излучение может быть также солнечным светом. Речь может идти также о световом излучении, например тепловом излучении, испускаемом объектами или поверхностями.

Предпочтительным образом устройство в качестве составной части оптической системы дистанционного обнаружения или дистанционного установления местонахождения газов снабжено навигационным устройством и установлено в летательном аппарате. Навигационное устройство может представлять собой известную систему глобального позиционирования (Global Positioning System) (GPS).

Одно предпочтительное усовершенствование изобретения состоит в том, что отклоняющее зеркало находится в установленной оправе.

Угол между нормалью к зеркалу и осью вращения, т.е. угол наклона, в простейшем случае задается постоянным. Однако предпочтительно, если угол между нормалью к зеркалу и осью вращения можно регулировать или выбирать произвольным. Преимущественно для регулирования используют второй привод, выполненный преимущественно с возможностью управления.

За счет наклона нормали к зеркалу к оси вращения при вращательном движении создаются динамические дебалансные моменты, которые могут приводить к сильным вибрациям. Поэтому изобретение предлагает выполнить зеркало и оправу так, чтобы ось вращения совпадала с главной осью инерции отклоняющего зеркала вместе с оправой.

В отличие от этого в рамках изобретения предложено, что отклоняющее зеркало снабжено, по меньшей мере, одним элементом балансировочной массы таким образом, что главная ось инерции отклоняющего зеркала вместе с элементом балансировочной массы совпадает с осью вращения. Положение элемента балансировочной массы по отношению к отклоняющему зеркалу можно регулировать.

Один предпочтительный вариант осуществления изобретения отличается тем, что отклоняющее зеркало установлено с возможностью наклона вокруг оси к оси вращения и что элемент балансировочной массы установлен с возможностью наклона к отклоняющему зеркалу вокруг той же оси преимущественно с помощью общего привода.

Преимущественно элемент балансировочной массы выполнен в виде кольца, концентрично окружающего отклоняющее зеркало. В качестве кольца может быть использовано, например, металлическое кольцо. Если ось вращения совпадает с нормалью к зеркалу, то отклоняющее зеркало и кольцо находятся в одной плоскости. Если же отклоняющее зеркало наклонено вокруг оси перпендикулярно нормали к зеркалу, то кольцо наклоняется вокруг той же оси в противоположном направлении. При соответствующем расчете металлического кольца и регулировании можно полностью компенсировать динамический дебаланс наклоненного отклоняющего зеркала. Ось наклона проводят преимущественно через центр тяжести зеркала вместе с оправой во избежание статических дебалансов.

Для решения поставленной задачи предусмотрен способ оптического сканирования сред, объектов или поверхностей с помощью отклоняющего зеркала для отклонения светового излучения, причем отклоняющее зеркало соединено с приводом, отличающийся тем, что отклоняющее зеркало вращается вокруг оси вращения, причем нормаль к зеркалу наклонена к оси вращения, и при этом одновременно отклоняющее зеркало направляют по среде, объекту или поверхности. На вращательное движение накладывают, тем самым, второе движение. Если следует сканировать поверхность, например трассу газопровода, то второе движение в основном параллельно поверхности.

В качестве альтернативы возможно вращение отклоняющего зеркала вокруг оси вращения, причем нормаль к зеркалу наклонена к оси вращения и причем в то же время угол наклона непрерывно изменяют. Отклоняющее зеркало вращается равномерно и быстро, тогда как непрерывное движение наклона происходит медленно. Таким образом, для высоких скоростей сканирования требуются приводы относительно малой мощности.

Способ согласно изобретению может особенно предпочтительно применяться в способе контроля за подземными газопроводами посредством летательного аппарата. Таким образом, утечки в трубопроводной сети можно быстро обнаружить путем облета трассы соответствующим летательным аппаратом, в частности вертолетом.

Изобретение поясняется ниже с помощью примера его осуществления.

На чертежах изображают:

фиг.1: схематичный вид устройства согласно изобретению;

фиг.2: устройство согласно изобретению в разрезе при виде сбоку, причем отклоняющее зеркало наклонено;

фиг.3: устройство согласно изобретению при виде спереди;

фиг.4: устройство согласно изобретению в разрезе при виде сбоку, причем отклоняющее зеркало не наклонено.

Изображенное на фиг.1-4 устройство связано с навигационным устройством (не показано) и является составной частью оптической системы дистанционного обнаружения углеводородов. Система дистанционного обнаружения установлена в вертолете и используется для дистанционного установления местонахождения углеводородов в атмосфере, в частности метана или природного газа, для детектирования утечек в подземных газопроводах. Источник лазерного излучения (не показан) испускает лазерное излучение, которое распределяется по сканируемой поверхности или по земле. Вертолет летит по трассе газопровода со скоростью примерно 80-100 км/ч.

На пути лазерного излучения и отраженного света находится вращающееся отклоняющее зеркало 1, выполненное плоским. Отклоняющее зеркало 1 наклонено вокруг оси 3 наклона, проходящей перпендикулярно нормали 7 к зеркалу, с помощью управляемого привода (не показан). Поскольку нормаль 7 к зеркалу является перпендикуляром к поверхности зеркала, ось 5 вращения расположена, таким образом, под углом к нормали 7 к зеркалу. Из фиг.4 видно, что отклоняющее зеркало 1 установлено в оправе 8 с помощью подшипников.

Отклоняющее зеркало 1 вращается вокруг оси 5 вращения равномерно и относительно быстро. Скорость вращения составляет, например, 300 об/мин. Угол между нормалью к зеркалу и осью вращения может быть выбран произвольным и может составлять, например, 7°.

Световое излучение 6 отклоняют в основном на 90°. Отклоняют как излученное световое излучение, так и отраженное. За счет регулирования угла между нормалью к зеркалу и осью вращения можно привести ширину сканируемой поверхности в соответствие с требованием вследствие топографии целевой поверхности. Луч движется по эллиптической спиральной траектории. За счет наложения сканирования на движение полета измерительные точки лежат на циклоиде.

Отраженный от земли или атмосферы свет собирают с помощью телескопа 9, имеющего большую оптическую апертуру, и фокусируют на детектор 10. Осуществляют излучение лазерного луча коаксиально оси телескопа. При утечке содержание метана в атмосфере над землей повышается, поскольку природный газ состоит главным образом из метана. Известно, что метан абсорбирует при определенных длинах волн излученный свет, так что, оценивая отраженный свет, можно определить концентрацию метана в атмосфере.

Необходимо принять подходящие меры для компенсации дебалансов при вращении. Поэтому отклоняющее зеркало 1 концентрично окружено элементом 2 балансировочной массы, имеющим главную ось 4 инерции. Элемент 2 балансировочной массы выполнен в виде металлического кольца. Если ось 5 вращения совпадает с нормалью 7 к зеркалу, то отклоняющее зеркало 1 и металлическое кольцо 2 находятся в одной плоскости. Если же отклоняющее зеркало 1 наклонено вокруг оси 3 наклона перпендикулярно нормали к зеркалу, то металлическое кольцо 2 наклоняется вокруг той же оси 3 в противоположном направлении. Главная ось инерции отклоняющего зеркала 1 соответствует нормали 7 к зеркалу 1, поскольку отклоняющее зеркало 1 выполнено вращательно-симметричным. При соответствующем расчете металлического кольца 2 и регулировании можно полностью компенсировать динамический дебаланс наклоненного отклоняющего зеркала 1.

В рамках изобретения отклоняющее зеркало 1 может при вращении совершать непрерывное движение наклона вокруг оси 3 перпендикулярно нормали 7, так что угол между осью 5 вращения и нормалью 7 к зеркалу непрерывно изменяется.

В рамках изобретения устройство может быть вполне модифицировано. Так, отклоняющее зеркало и оправа могут быть выполнены так, чтобы ось 5 вращения в основном совпадала с главной осью инерции отклоняющего зеркала 1 вместе с оправой 8.

Реферат

Изобретение относится к устройству и способу оптического сканирования сред, объектов или поверхностей и может быть использовано в оптических системах дистанционного обнаружения или дистанционного установления местонахождения газов, в частности углеводородов, в атмосфере. Устройство для оптического сканирования сред или объектов содержит отклоняющее зеркало (1) для отклонения светового излучения (6), соединенное с приводом. Отклоняющее зеркало (1) выполнено с возможностью вращения, причем нормаль (7) к зеркалу наклонена к оси (5) вращения. Отклоняющее зеркало (1) установлено в оправе (8) посредством подшипника и снабжено по меньшей мере одним элементом (2) балансировочной массы таким образом, что ось (5) вращения совпадает с главной осью (4) инерции средства (1) отклоняющего зеркала вместе с оправой (8). Цель изобретения - обеспечение быстрого сканирования с большой апертурой. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула