Ик фурье-спектрометры для научных исследований и прикладных применений

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание В третьей главе В Четвертой главе

Подобный материал:

• Центр прикладных научных исследований, 42.6kb.
• Центр прикладных научных исследований, 39.79kb.
• Довести перечень приоритетных направлений фундаментальных и прикладных научных исследований, 132.03kb.
• Центр прикладных научных исследований, 33.86kb.
• Центр прикладных научных исследований, 40.75kb.
• Центр прикладных научных исследований, 38.81kb.
• Центр прикладных научных исследований, 42.38kb.
• Центр прикладных научных исследований, 41.63kb.
• Центр прикладных научных исследований, 35.32kb.
• Центр прикладных научных исследований, 39.48kb.

§2.4. посвящен разработке и исследованию оптоволоконного фурье-спектрометра. Изложены принципы построения спектрометра, его оптическая схема, а также эксплуатационные и технические характеристики.

Оптоволоконный Фурье-спектрометр (Рис.6) предназначен для получения спектров поглощения или нарушенного полного внутреннего отражения различных жидких и твердых образцов веществ без пробоподготовки. Он позволяет измерять спектры объектов, удаленных от спектрометра или расположенных в местах опасных для человека. Прибор может использовать различные оптоволоконные зонды. Поскольку спектрометр работает в среднем ИК диапазоне, то в зондах используется халькогенидное оптоволокно.

Продемонстрированы эксплуатационные качества прибора. Он легкий и небольшой по размеру. Работает как от источника переменного напряжения 220 В, так и от низковольтного автономного источника питания (– 12 В). Управление спектрометром осуществляется от стандартной ПЭВМ или Ноутбука, с их помощью обрабатывается получаемая спектральная информация и выполняется соответствующий спектральный анализ.

Основные технические характеристики:

Инфракрасная область спектра - от 400 см^-1 до 4000 см^-1.

Предельное разрешение - 4 см^-1.

Точность определения волновых чисел - ±0.1 см^-1.

Вариации отклонения уровня стопроцентного пропускания во всей области спектра не превышают - ±1%.

Отношение сигнал/шум (в области 2000 - 2100 см^-1) за время измерения 2 мин (16 сканов) при спектральном разрешении 4 см^-1 - не менее 10000.

Масса прибора (без ЭВМ) - 6 кг.

Габаритные размеры Фурье-спектрометра (без ЭВМ) - 400 х 200 х 200 мм.



Рис. 6 Оптоволоконный Фурье-спектрометр

Показаны и исследованы основные особенности оптических свойств, построения и функционирования оптоволоконного фурье-спектрометра:

1. Оптоволоконный зонд имеет светосилу, ограниченную диаметром волокна и распределением, выходящего из волокна излучения по углу (имеет соответствующую индикатрису излучения, выходящего с торца оптоволокна).
   
2. Спектральный интервал работы такого спектрометра определяется, как правило, областью эффективного пропускания оптоволокна.
   
3. Оптоволокно в среднем ИК диапазоне имеет все-таки довольно большой коэффициент поглощения электромагнитного излучения.
   
4. Оптоволоконный фурье-спектрометр позволяет использовать оптоволоконные жгуты (свитые или собранные из нескольких отдельных оптоволокон).
   
5. Фурье-спектрометр позволяет эффективно работать с одновременным использованием нескольких приемников (или матрицы из приемных элементов).
   
6. Оптоволоконный Фурье-спектрометр может эффективно использоваться в технологических производственных линиях для on-line контроля.
   

В качестве иллюстрации работоспособности оптоволоконного фурье-спектрометра приведены результаты некоторых спектральных измерений.

Результаты исследований, приведенные во второй главе, опубликованы в работах [24, 28-31, 34-36, 38-41, 44-46, 51] и реализованы при создании Быстросканирующего фурье-спектрометра БФС-01, Аналитического фурье-спектрометра АФ-1 (АФ-3, АФ-3Б), Портативного переносного фурье-спектрометра ПАК-Б и Оптоволоконного фурье-спектрометра.


В третьей главе приводятся результаты исследований и разработок, проведенных при создании макета многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра, предназначенного для измерения с летательного аппарата спектрограмм ИК излучения объектов с поверхности Земли и земной атмосферы.

§3.1. посвящен исследованию и обоснованию требований к прибору исходя из поставленных перед ним задач. Показано, что эффективным средством исследования процессов, происходящих в атмосфере, на поверхности Земли и в космосе, является устанавливаемый на летательных устройствах спектрорадиометр среднего ИК диапазона, оснащенный системой наведения. Поскольку в средней ИК области спектра (3 - 25 мкм) лежат полосы поглощения и излучения молекул атмосферных и техногенных газов, а также почвы и растительности. Здесь же лежит максимум спектральной яркости излучения при «земных» температурах (200 К - 400 К).

Особенностью фурье-спектрометров является возможность легко изменять спектральное разрешение, что достигается не изменением размеров, а лишь изменением величины взаимного перемещения оптических деталей. Другими их важными особенностями являются широкий спектральный диапазон и большая светосила. Все это обеспечивает значительно лучшие технические характеристики ИК фурье-спектрометров по сравнению с другими ИК спектрометрами.

Проведен анализ этих особенностей, что позволило разработать универсальный многоцелевой спектрорадиометр, меняющий параметры измерения в зависимости от стоящей задачи. Поскольку в приемной плоскости спектрорадиометра создается изображение исследуемого объекта (например, облачного покрова), предложено в качестве приемника излучения использовать матрицу приемных элементов для получения не только спектральной, но и пространственной картины объекта.

Описаны и обоснованы основные задачи, решаемые прибором. Они делятся на четыре группы – геофизика, метеорология, астрофизика и прикладные задачи. Спектрорадиометр может измерять:

- высотные профили температуры атмосферы;

- содержание и распределение по высоте водяного пара;

- общее содержание озона и его распределение по высоте;

- общее и локальное содержание малых газовых составляющих атмосферы, включая тропосферный метан, закись азота, окись углерода, различные техногенные газы и т.п.;

- температуру воды и суши;

- излучающую способность подстилающей поверхности;

- содержание техногенных газов и аэрозолей в местах наземных объектов.

Различные задачи предъявляют и различные требования к характеристикам спектрорадиометра. Предложен алгоритм работы разрабатываемого прибора, позволяющий решать поставленные задачи либо последовательно, либо одновременно при движении по трассе.

Разработанный спектрорадиометр имеет спектральный диапазон от 2,5 до 25 мкм и спектральное разрешение, программно устанавливаемое от 0,3 до 12 см^-1. Прибор обеспечивает одновременное измерение излучения от нескольких областей внутри поля зрения прибора. Угловой диаметр поля зрения (по уровню 0,5) от 30 до 50 мрад.

В §3.2. исследована и разработана общая структура построения и функционирования многоцелевого ИК спектрорадиометра.

Спектрорадиометр состоит из двух модулей (Рис.7):

- спектрального модуля («спектрометр»), в котором происходит измерение входящего ИК излучения, предварительная обработка данных и передача их во внешнюю память;

- модуля сканера («сканер»), направляющего поле зрения прибора в требуемую точку и содержащего эталонный излучатель ИК излучения для калибровки прибора.

Сканер устанавливается перед входным окном спектрометра на кронштейне, закреплённом на основании спектрометра.

К основным особенностям фурье-спектрорадиометра, определяющим конструкцию, область применения и условия его установки на космическом аппарате относятся: тип интерферометра, линейная апертура, тип приёмников излучения, принципиальные особенности исполнения.

Показано, что в качестве интерферометра наиболее подходящим для наших целей является интерферометр - «двойной маятник», с качающимися на общей вилке уголковыми отражателями (триэдрами). Основными критериями выбора явились стабильность и габариты интерферометра. Расчёты допустимых заклонов оптических элементов при использовании в плечах интерферометра плоских зеркал и триэдров демонстрируют значительное преимущество в этом у последних.





Рис.7. Схема многоцелевого спектрорадиометра


С другой стороны, схемы с триэдрами предъявляют высокие требования к взаимному расположению их вершин, но в схеме «двойной маятник» это преимущество реализуется без риска нарушить взаимное расположение триэдров – они жёстко сидят на прочной вилке, и прямолинейное движение заменено поворотами на малые углы.

Преимущество «двойного маятника» обеспечивается высокоточным изготовлением промышленных изделий – уголковых отражателей и прецизионных подшипников. Именно это и позволяет снизить требования к точности изготовления остальных частей интерферометра. Достоинство маятника состоит и в том, что его можно сбалансировать с помощью противовеса, что важно при работе с сильными внешними воздействиями.

Все это и определило выбор интерферометра типа «двойной маятник».

Линейная апертура прибора, или размер его апертурной диафрагмы, рассчитана по заданным значениям сигнал/шум и ожидаемым яркостям объектов наблюдения. Оценки показали, что для определения температурного профиля атмосферы с погрешностью не хуже 1 К (требование метеорологов) нужно иметь спектраль­ное раз­ре­ше­ние не ху­же 0,5 см^-1 при отношении сигнал/шум не менее 100, для чего достаточен световой диаметр светоделителя и триэдров порядка 60 мм.



Рис.8. Макет многоцелевого фурье-спектрорадиометра


Показано, что при выбранном триэдре со световым диаметром 60 мм почти для всех поставленных задач отношение сигнал/шум или равно требуемой величине или превышает её. Это позволяет при необходимости ограничить максимальное поле зрения до величины 0,07 рад, что уменьшает аберрации на краях поля зрения, увеличивает пространственное разрешение и приводит к снижению массы прибора.

Спектральный диапазон прибора достаточен для большинства возможных применений. Такой диапазон нельзя эффективно перекрыть одним приёмником, поэтому предложена и реализована установка двух (или трех) приемников с оптическим переключателем излучения. Метеонаблюдения требуют максимальной чувствительности в области (6 - 14,5) мкм, для чего используется приемник HgCdTe, охлаждаемый до 80 К, с длинноволновой границей 16 мкм. В длинноволновой области (до 25 мкм) в качестве второго приёмника используется пироприемник, а для работы в коротковолновой области (3 - 4,5) мкм применяется приёмник PbSe.

Облачность влияет на результаты измерений. Но вероятность попадания поля зрения на безоблачный участок повышается при уменьшении поля зрения. Поэтому его размер у зарубежных метеорологических фурье-спектрорадиометров не превышает 14 км. Хороший результат дает предложенное деление большого поля зрения, например, 30  30 км на 4 участка (14  14 км) или на 9 участков (10  10 км). Сравнение 4-х (9-ти) одновременно полученных спектров позволяет выбрать спектр, не искажённый облаками. Указанное разбиение спектров на участки в нашем приборе осуществляется с помощью соответствующего многоэлементного приемника, что повышает эффективность работы прибора.

Исследованы варианты исполнения отдельных узлов интерферометра, что потребовало дополнительного анализа системы юстировки, привода маятника, концевых датчиков, амортизаторов, а также элементов референтного канала, установленных на корпусе интерферометра.

Схема интерферометра отработана на макетном образце (Рис.8). Проведены успешные испытания макета, подтвердившие правильность выбранных решений.

Результаты исследований, приведенных в третьей главе, опубликованы в работах [53, 56] и реализованы при создании макета Многоцелевого фурье-спектрорадиометра. В настоящее время проводится разработка экспериментального образца Многоцелевого фурье-спектрорадиометра.


В Четвертой главе приводятся результаты исследований и разработок, посвященных особенностям функционирования фурье-спектрометра и выполняемым математическим преобразованиям, улучшающим его спектральные характеристики.

В §4.1 исследовано влияние флуктуаций скорости сканирования (V) подвижного отражателя интерферометра в фурье-спектрометре на измеряемые с его помощью спектры. Показано, что требование к стабильности этой скорости определяются амплитудно- и фазо-частотными характеристиками приемного тракта (A(f) и φ(f), где f – частота сигнала) и требуемым отношением сигнал/шум (B/N) в спектре.

Получено общее выражение, описывающее восстановленный спектр через исходный при конкретных частотных характеристиках приемного тракта и известном спектре флуктуаций скорости сканирования подвижного отражателя интерферометра. Тем самым установлена связь отношения сигнал/шум в получаемом спектре с нестабильностью скорости и радиусом корреляции ее флуктуаций в интерферограмме (если шум обусловлен лишь указанной нестабильностью). Характер связи определяется также видом исходного спектра. В случае монохроматического (на частоте σ₀) излучения она принимает вид

B/N = {hNu/[Φ₁²(σ₀,) + Φ₂²(σ₀,)]}^1/2 (/ΔV),

где u – величина обратная ширине функции автокорреляции (радиусу корреляции) флуктуаций скорости изменения оптической разности хода, ΔV – среднеквадратичное значение этих флуктуаций, h – шаг регистрации интерферограммы, N – число ее точек,

Φ₁(σ,) = [σ/A(f(σ,))](dA(f)/df)_f(σ,<ΔV>), Φ₂(σ,) = σ(dφ(f)/df)_f(σ,<ΔV>), f – частота модуляции оптического сигнала (та же частота сигнала).

Для непрерывного спектра дано качественное описание результатов.

В §4.2 исследовано влияние случайных ошибок измерения оптической разности хода в последовательно регистрируемых при идентичных условиях интерферограммах на характеристики спектра, получаемого из результирующей интерферограммы (являющейся их суммой). Получены соотношения, связывающие желаемую воспроизводимость спектра со среднеквадратичным отклонением ошибки определения положения метрологической шкалы измерения оптической разности хода. Рассмотрены два варианта накопления интерферограмм. Первый - суммирование интерферограмм, регистрируемых при перемещении подвижного отражателя в интерферометре в одном направлении движения, и второй – суммирование интерферограмм, регистрируемых при перемещении отражателя в обоих направлениях. В последнем случае на восстанавливаемый спектр накладывается мультипликативная составляющая, определяемая скоростью изменения оптической разности хода и частотными характеристиками приемного тракта. Показаны зависимости, связывающие отношение сигнал/шум в спектрах результирующей и отдельной интерферограммы. Относительный выигрыш в этом параметре пропорционален корню квадратному из числа накопленных интерферограмм, но имеется еще и спектральная «окраска», обусловленная характером суммирования и среднеквадратичным отклонением ошибки определения положения метрологической шкалы измерения оптической разности хода.

§4.3 посвящен исследованию, разработке и обоснованию методики выбора и расчета оптимальных функций аподизации (соответствующие им аппаратные функции имеют минимально возможную ширину при заданной величине вторичных максимумов), в то время как обычный подход к выбору и использованию функций аподизации носит чисто эмпирический характер.

Предлагаемое решение основывается на анализе выполняемого при обработке интерферограмы дискретного фурье-преобразования

A'(k) = A(n)cos(2nπk/(2N)),

где A(n) и A'(k) – функция аподизации и соответствующая аппаратная функции, N – число точек преобразования. Поскольку при разложении cos(2nα) на сумму степеней cos(α) остаются только показатели 2n, 2n-2, …, справедливо

A'(k) = Φ(n)cos²ⁿ(πk/(2N)) = R(n) x²ⁿ,

где Φ(n) и R(n) коэффициенты разложения функции A'(k), а параметр х = х₀ cos(πk/(2N)).

В результате нахождение оптимальной функции аподизации сводится к поиску оптимального полинома. Такая задача решается известным образом посредством полиномов Чебышева. С помощью соотношений, описывающих эти полиномы, получены искомые выражения для оптимальных функций аподизации

A(n) = 2N x₀²ⁿ (-1)^N-n-μ x₀^2μ (N+n+μ-1)!/[μ!(2n+μ)!(N-n-μ)!],

где x₀ = [(Q + (Q² – 1)^1/2)^1/(2N) + (Q - (Q² – 1)^1/2)^1/(2N)]/2, а Q – отношение интенсивности главного максимума аппаратной функции к интенсивности вторичных экстремумов. Соответствующие аппаратные функции имеют вид

A'(k) = (-1)^N-n4ⁿN{(N+n-1)!/[(N-n)!(2n)!]}[x₀cos(πk/(2n))]²ⁿ.

Полученные выражения можно использовать лишь для качественного анализа поведения оптимальных функций аподизации и аппаратных функций, т.к. при больших N (имеющих реальный смысл) ошибки вычислений необратимо растут.

Установлена зависимость, связывающая ширину оптимальных аппаратных функций (W) с величиной вторичных максимумов (h)

W/W₀ = (1/(0.6π))[(ln(H + (H² – 1)^1/2)² – (ln(H/2 + ((H/2)² – 1)^1/2))²]^1/2,

где H = 3πh₀/(2h), а W и h₀ – ширина и величина наибольшего вторичного максимума функции sinc (x).

Аналогичная зависимость для большого числа (~3000) различных функций аподизации была уже ранее исследована Р.Нортоном и Р.Биром. Этот экспериментальный материал позволил предположить существование некоего предела (Рис.9, кривая 1). И действительно он достаточно близок к найденной в диссертационной работе теоретической зависимости (Рис.9, кривая 2).

Выражения для оптимальных функций имеют практический интерес при выборе функций аподизации для обработки интерферограмм. Описанная граничная зависимость (Рис.9) позволяет правильно оценить относительные возможности выбранных функций.

Исследован и разработан метод построения функций аподизации, близких к оптимальным и пригодных для практического использования при преобразовании интерферограмм произвольной длины. Предлагаемые функции аподизации имеют вид

A(n) = A''(k,a,m) cos(πkn/N),

где




Рис.9. Зависимость h/h₀ от W/W₀:

1 - экспериментальная, 2 – теоретическая


A''(k,а,m) = {[(m-1)!]²/[(m-1+k)!(m-1-k)!]}{1 – (k²/m²) (a² + (m – ½)²)/(a² + (μ – ½)²)}²

для k=1, 2, … m-1


A''(k,а,m) = 0 для k= m, m+1, …,


где a = [ln(Q + (Q² – 1)^1/2]/2.

Показано, что при возрастании m соответствующие аппаратные функции сходятся к оптимальным.

Для проверки эффективности метода рассчитаны и проанализированы аппаратные функции, соответствующие функциям аподизации, построенным по предложенным выражениям. На Рис.10 в качестве примера изображены функции аподизации, вычисленные для Q = 50 при различных m.



Рис.10. Функции аподизации A(n) для Q =50 и различных m


Предлагаемые функции аподизации представляют практический интерес при обработке реальных интерферограмм для реализации предельных характеристик фурье-спектрометров. Удобным критерием выбора Q является величина отношения сигнал/шум в получаемом спектре. Величину m разумно выбирать из соображений точности счета (с ростом m растут ошибки вычисления) и величины бокового максимума этой функции (если его величина велика, возрастает влияние ошибок в измерении интерферограммы в этих точках на точность получаемого спектра).

Результаты исследований, приведенные в четвертой главе, опубликованы в работах [3, 16 – 18, 21, 23, 27] и реализованы при создании фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02, ряда специализированных фурье-спектрометров (ФС-01, АФС-01, ЛСФС-01, БФС-01, ФС-02), портативного ИК фурье-спектрометра ПАК-Б, Оптоволоконного фурье-спектрометра, макета Многоцелевого фурье-спектрорадиометра.


Заключение


На основании выполненных исследований и разработок можно сделать следующие выводы.

1. Разработан принцип непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения. Предложена, исследована и внедрена оптическая схема двухлучевого интерферометра с улучшенной компенсацией фазовых искажений в светоделителе (защищенная авторским свидетельством), позволившая снизить требования к материалу светоделителя и повысить спектральное разрешение прибора. Определены требования, предъявляемые к изготовлению и юстировке основных элементов фурье-спектрометра высокого разрешения.
   
2. Проведены исследования, на основании которых разработан и изготовлен Быстросканирующий фурье-спектрорадиометр, предназначенный для измерения поляризованного электромагнитного излучения высокотемпературной замагниченной плазмы в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметровом диапазонах. Предложена, исследована и внедрена оптическая схема интерферометра (защищенная авторским свидетельством), обеспечивающая одновременную регистрацию спектров обеих поляризаций с высоким временным и спектральным разрешением.
   
3. Проведены исследования, позволившие разработать и изготовить фурье-спектрометр широкого применения. Разработана его оптическая схема и исследованы особенности его функционирования. На его основе создана автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего.
   
4. Разработан и изготовлен портативный переносной фурье-спектрометр. Предложена, исследована и внедрена оптическая схема компактного интерферометра, защищенная патентом. На основе спектрометра создан и сертифицирован портативный анализатор горюче-смазочных материалов.
   
5. Разработан и изготовлен Оптоволоконный ИК фурье-спектрометр. Исследованы особенности его функционирования и использования, позволяющие проводить спектральные измерения различных объектов без пробоподготовки (in vivo для живых систем).
   
6. Проведены исследования, разработан и изготовлен макет многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра для изучения земной поверхности и атмосферы с борта спутника. Разработана оптическая схема прибора. Исследованы основные принципы его построения и функционирования.
   
7. Исследованы требования к стабилизации ско­рости изменения оптической разности хода в фурье-спектрометре при непрерывном сканировании. Установлены зависимости, связывающие отношение сигнал/шум в спектре с нестабильностью этой скорости, радиусом корреляции ее флуктуаций в интерферограмме и частотными характеристиками приемного и референтного трактов.
   
8. Проведено исследование метода улучшения сигнал/шум в спектре посредством предварительного суммирования интерферограмм. Исследовано влияние ошибок измерения оптической разности хода регистрируемых интерферограмм на спектр, получаемый из суммарной интерферограммы. Выведены соотношения, связывающие шумовые характеристики спектра со среднеквадратичным отклонением ошибки в определении шкалы оптической раз­ности хода отдельной интерферограммы. Установлены общие зависимости, свя­зывающие отношение сигнал/шум в спектрах единичной и суммарной интерферограмм.
   
9. Проведены исследование и разработка нового класса оптимальных функций аподизации, позволяющих получить максимально возможное спектральное разрешение при заданном уровне боковых лепестков аппаратной функции. Предложена методика расчета квазиоптимальных функций аподизации, характеристики которых могут сколь угодно близко приближены к оптимальным, а сами функции могут эффективно использоваться при обработке интерферограмм.
   
10. В результате исследований, проведенных в диссертации, разработано и создано семейство специализированных ИК фурье-спектрометров, предназначенных для научных экспериментов в различных областях физики, химии, биофизики, материаловедения и прикладных применений в производственных технологических линиях и контроле состава и качества различных веществ и видов продукции. Исследованы технические требования к элементам фурье-спектрометра, обеспечивающие его эффективную работу. Разработаны, исследованы и внедрены ряд алгоритмических и аппаратных методов обработки спектральной информации с целью повышения разрешающей силы и отношения сигнал/шум в получаемом спектре.
    

Основные научные результаты получены впервые и опубликованы в журналах, рекомендуемых ВАК.