Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ОТДЕЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Учреждение Российской академии наук Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

ИК фурье-спектрометры для научных исследований и прикладных применений

Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Вагин Василий Алексеевич

Москва - 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН

Научный консультант: д.ф.-м.н. Кирьянов А.П.

Официальные оппоненты: - д.т.н., профессор Ищенко Е.Ф.

- д. ф. - м. н. Яковлев В.А.

- д.х.н., Локшин Б.В.

Ведущая организация - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет технологий и управления»

Защита состоится 16 декабря 2009 г. в 15 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.135.01 Учреждения Российской академии наук Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, по адресу: 117342, Москва, ул. Бутлерова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НТЦ УП РАН.

Автореферат разослан 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета /Отливанчик Е.А./ к. ф. - м. н.

Общая характеристика работы

Диссертационная работа, представленная к защите, содержит результаты исследований и разработок семейства 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.

Работа обобщает результаты, полученные в ходе решения этой важной государственной проблемы лично автором, либо под его руководством и непосредственном участии в период 1972-2009 гг. в Научно-технологическом центре уникального приборостроения РАН. С использованием полученных результатов было создано более десяти типов фурье-спектрометров различного назначения, применяемых НИИ и организациями РАН, промышленности и Минобороны России при проведении экспериментальных исследований и практических применениях.

Актуальность темы. Многообразие возможностей применения Фурье-спектрометров для решения задач в области современной физики, химии, биофизики, материаловедения обеспечивается их известными преимуществами над другими видами спектрометров. К ним в первую очередь следует отнести:

· фактор мультиплексности, заключающийся в одновременной регистрации всего исследуемого спектрального диапазона;

· большой геометрический фактор - выигрыш в светосиле, обусловленной осевой симметрией интерферометра и значительными размерами входной диафрагмы;

· высокую точность шкалы волновых чисел, которая обеспечивается точным измерением оптической разности хода интерферирующих световых пучков в интерферометре;

· практически постоянное во всем исследуемом спектральном диапазоне разрешение, которое определяется величиной предельной оптической разности хода, достигаемой в интерферометре;

· широкий диапазон исследуемого спектра, ширина которого определяется только областью пропускания светоделителя и областью спектральной чувствительности фотоприемника;

· отсутствие (как правило) влияния на измеряемые спектры рассеянного излучения, являющегося одним из основных источников фотометрической погрешности в классических спектрометрах.

Указанные преимущества Фурье-спектрометров позволяют за время одного эксперимента производить высокоточные спектральные измерения исследуемых объектов (в газообразном, жидком и твердом состоянии) в широком диапазоне длин волн. Все это обеспечивает высокое качество получаемой информации, в результате чего такие приборы находят широкое применение, как в научных, так и прикладных исследованиях.

Цель работы - исследование и разработка семейства 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.

Основные задачи диссертации, обеспечивающие достижение поставленной цели:

1. Исследование и разработка оптической схемы интерферометра, определение требований, предъявляемых к его основным элементам, и разработка принципа непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения.

2. Исследование, разработка и создание быстросканирующего фурье-спектрометра субмиллиметрового диапазона. Разработка оптической схемы интерферометра и исследование особенностей его функционирования.

3. Исследование, разработка и создание фурье-спектрометра широкого применения. Разработка оптической схемы прибора и исследование особенностей его функционирования.

4. Исследование, разработка и создание портативного переносного фурье-спектрометра и на его основе - анализатора горюче-смазочных материалов. Разработка оптической схемы прибора.

5. Исследование, разработка и создание оптоволоконного ИК фурье-спектрометра, Разработка оптической схемы прибора и исследование особенностей его функционирования.

6. Разработка оптической схемы, принципов построения и функционирования многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра для исследования земной поверхности и атмосферы с борта спутника, а также для наземных дистанционных измерений.

7. Исследование требований к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра, обусловленных частотными характеристиками приемного тракта и необходимым отношением сигнал/шум в получаемом спектре.

8. Исследование метода повышения отношения сигнал/шум в спектре в результате предварительного накопления интерферограмм

9. Разработка и исследование нового класса оптимальных функций аподизации.

Методы исследования основываются на законах электродинамического взаимодействия электромагнитного излучения с элементами фурье-спектрометра, математическом анализе такого взаимодействия, теории вероятностей и математической статистике, компьютерном моделировании и экспериментальном макетировании.

Научная новизна.

На основе комплексных исследований оптико-механических схем и разработки принципов функционирования создано семейство специализированных ИК фурье-спектрометров для научных исследований и прикладных применений.

Исследованы, разработаны и внедрены в практику Фурье-спектрометрических измерений ряд алгоритмических и аппаратных методов обработки спектральной информации с целью повышения спектрального разрешения и отношения сигнал/шум в получаемом спектре.

Разработан принцип непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения. Предложена и исследована оптическая схема интерферометра с улучшенной компенсацией фазовых искажений в светоделителе. С помощью созданного спектрометра высокого разрешения обнаружена и исследована тонкая (изотопическая) структура на сверхтонкой структуре электронного перехода в оптическом спектре кристалла фторида лития-иттрия, активированного гольмием.

Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен Быстросканирующий фурье-спектрорадиометр для измерения спектральной яркости поляризованного электромагнитного излучения высокотемпературной замагниченной плазмы в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Разработана его оптическая схема и исследованы особенности его функционирования.

Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен фурье-спектрометр широкого применения. Разработана его оптическая схема и исследованы особенности его функционирования. На его основе создана автоматизированная система идентификации и контроля качества горючего.

Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен портативный переносной фурье-спектрометр. Предложена, исследована и внедрена оптическая схема компактного интерферометра. На основе спектрометра создан и сертифицирован портативный анализатор горюче-смазочных материалов. В результате с помощью ИК Фурье-спектроскопии реализован на практике экспресс-метод их анализа.

Проведены исследования, на основе которых разработан и изготовлен Оптоволоконный ИК фурье-спектрометр. Разработана его оптическая схема и исследованы особенности его функционирования.

Проведены исследования, на основе которых разработан и создан макет многоцелевого ИК фурье-спектрорадиометра для исследования земной поверхности и атмосферы с борта спутника. Разработана оптическая схема прибора. Исследованы особенности его построения и функционирования.

Исследованы требования к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра и особенности метода повышения отношения сигнал/шум в спектре посредством накопления интерферограмм. Разработан и исследован новый класс оптимальных функций аподизации, позволяющих получить максимально возможное спектральное разрешение при заданном уровне боковых лепестков аппаратной функции.

Перечисленные выше исследования выполнены впервые.

Практическая значимость и результаты внедрения

На основании проведенных исследований разработан и выпущен в мелкосерийном производстве в НТЦ УП РАН целый ряд Фурье-спектрометров различного назначения:

Фурье-спектрометр УФС-02 с рабочей областью спектра от 1 мкм до 100 мкм и разрешением до 0,005 см^-1;

Фурье-спектрометр ФС-01 с рабочей областью спектра от 2 мкм до 100 мм и разрешением до 0,1 см^-1. Фурье-спектрометр ФС-01 внедрен в серийное производство на Опытно-производственном предприятии НТО АН СССР г. Минска;

Автоматизированный фотоэлектрический спектрометр АФС-01 с рабочей областью спектра от 2 мкм до 400 мкм и разрешением до 0,1 см^-1;

Лабораторный субмиллиметровый Фурье-спектрометр ЛСФС-01 с рабочей областью спектра от 100 мкм до 3000 мкм и разрешением до 0,05 см^-1;

Быстросканирующий Фурье-спектрорадиометр БФС-01 с рабочей областью спектра от 100 мкм до 5000 мкм с разрешением 0,1 см^-1 и временным разрешением 5 мс;

Двухканальный фурье-спектрометр ФС-02 с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 0,1 см^-1;

Аналитический Фурье-спектрометр широкого применения с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 1 см^-1;

Автоматизированная система контроля качества горюче-смазочных материалов;

Портативный переносной инфракрасный фурье-спектрометр ПАК-Б с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 3 см^-1;

Опытный образец Оптоволоконного фурье-спектрометра с рабочей областью спектра от 3 до 18 мкм и разрешением 3 см^-1;

Макет Многоцелевого фурье-спектрорадиометра с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 0.3 см^-1.

Макет Фурье спектрохолоэллипсометра с рабочей областью спектра от 2 до 25 мкм и разрешением 3 см^-1.

Результаты исследований и разработок Фурье-спектрометров внедрены в Научно-технологическом центре Уникального приборостроения РАН, Институте спектроскопии РАН, Физическом институте РАН, Институте химической физики РАН, Институте космических исследований РАН, Институте физики металлов СО РАН, 25 ГОСНИИ МО РФ, Филиале Института ядерных исследований им. И.В. Курчатова, Институте общей физики РАН им. А.М.Прохорова, Федеральном государственном унитарном предприятии «Главкосмос», а также в ряде вузов и отраслевых НИИ.

Личное участие автора в разработках по теме диссертационной работы

По большинству разработок по теме диссертации автор являлся научным руководителем или ответственным исполнителем или заместителем ответственного исполнителя работы. Все результаты исследований получены лично автором диссертации. фурье спектрометр субмиллиметровый

Автор был ведущим конструктором при создании фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02 и разработал принцип непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения, а также оптическую схему прибора.

Автор был научным руководителем следующих разработок:

· портативный переносной инфракрасный фурье-спектрометр ПАК-Б;

· опытный образец Оптоволоконного фурье-спектрометра;

· макет Многоцелевого фурье-спектрорадиометра.

Автор самостоятельно провел теоретические исследования некоторых особенностей функционирования фурье-спектрометра с целью улучшения его технических характеристик, в частности, исследовал требования к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра; исследовал метод повышения отношения сигнал/шум в спектре в результате предварительного накопления интерферограмм; исследовал и разработал новый класс функций аподизации. Результаты этих исследований были использованы и внедрены автором в разработках ряда специализированных фурье-спектрометров (ФС-01, АФС-01, ЛСФС-01, БФС-01, ФС-02).

На защиту диссертации выносятся

1. Принцип быстрого сканирования в фурье-спектроскопии высокого разрешения.

2. Оптическая схема интерферометра фурье-спектрометра высокого разрешения.

3. Оптическая схема интерферометра быстросканирующего фурье-спектрометра субмиллиметрового диапазона.

4. Оптическая схема фурье-спектрометра широкого применения.

5. Оптическая схема компактного интерферометра для портативного фурье-спектрометра, предназначенного для анализа горюче-смазочных материалов.

6. Физико-технические принципы построения и функционирования оптоволоконного фурье-спектрометра.

7. Схема и основные принципы построения и функционирования многоцелевого фурье-спектрорадиометра, предназначенного для дистанционного исследования земной поверхности и атмосферы с борта летательного аппарата.

8. Оценка требований к стабилизации скорости сканирования в интерферометре фурье-спектрометра, обусловленных частотными характеристиками приемного тракта и необходимым отношением сигнал/шум в получаемом спектре.

9. Оценка повышения отношения сигнал/шум в спектре в результате предварительного накопления интерферограмм.

10. Новый класс (так называемых оптимальных) функций аподизации;

Достоверность материалов диссертационной работы

Достоверность подтверждена результатами спектральных измерений, выполненных на разработанных фурье-спектрометрах.

Апробация работы

Результаты, полученные в работе, докладывались и обсуждались на Российских и международных научных конференциях и семинарах, в том числе на:

- IV International seminar on high resolution infrared spectroscopy (Liblice near Prague, 1976);

- XVIII съезде по спектроскопии (г. Горький, 1977);

- IV международной Конференции по применению ЭВМ в химии и химическом образовании (г.Новосибирск, 1978);

- 5-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Ottawa, Ontario, Canada, 1985);

- 7-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Fairfax, Virginia, USA, 1989);

- 8-th International Conference on Fourier Transform Spectroscopy (Lubeck, Travemunde, FRG, 1991);

- Spectroscopy in Special Application (Kyiv, Ukraine, 2003);

- International Conference “Micro-and nanoelectronics 2005” (Moscow, Zvenigorod, 2005);

- 2-ой Международной конференции «Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации» (ARMIMR-2007) (Суздаль, 25-27 сентября 2007 г.);

- 32^nd International Conference on Infrared and Millimetre Waves (IRMMW-THz 2007), (United Kingdom, Cardiff, September 2-7, 2007);

- LXІІІ научной сессии Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С.Попова, посвященной дню радио (г. Москва, 14-15 мая 2008 г.).

- XI Всероссийской школе-семинаре «волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород Московская область, 26-31 мая 2008 г.).

- 1-ой конференции МАА-РАКЦ «Космос для человечества» (г. Королёв, Московская область, 21-23 мая 2008 г.).

- V научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования земли» ( г.Адлер, 15-20 сентября 2008 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано более 60 научных работ (из них 26 статей в журналах, рекомендованных ВАК), получено 4 авторских свидетельства на изобретение (СССР) и 3 патента РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и приложения. Основная часть диссертации содержит 239 страниц машинописного текста, в том числе 57 рисунков и список литературы из 97 наименований.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, ее практическое значение, формулируется цель исследования и структура дальнейшего изложения.

В Первой главе приводятся результаты исследований и разработок, выполненных в ходе создания Фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02.

§1.1 посвящен разработке принципа непрерывного сканирования для фурье-спектрометра высокого разрешения. При прямом применении быстрого сканирования в таком спектрометре возникают серьезные проблемы, связанные с очень большим объемом регистрируемой информации. Так при измерении спектра с разрешением ~ 10^-3 см^-1 в спектральном интервале ~ 10⁴ см^-1, снимаемая интерферограмма насчитывает многие миллионы и даже десятки миллионов точек.

При разработке фурье-спектрометра УФС-02 был предложен и впервые реализован рациональный механизм решения этой проблемы. Ранее подобные спектрометры работали лишь в варианте шагового сканирования. Основой решения стал принцип фильтрации исследуемого сигнала на всех стадиях его получения: оптическая фильтрация (предварительный монохроматор), электронная фильтрация (аналоговая и цифровая) и математическая фильтрация в ЭВМ. Реализация предложенной сквозной фильтрации сократила размер конечного массива измеряемой информации до десятков тысяч точек и обеспечила при этом получение спектров с высоким разрешением и хорошим отношением сигнал/шум. В ходе разработки предварительного монохроматора был предложен и исследован новый тип его входных и выходных диафрагм, учитывающих осевую симметрию фурье-спектрометра, что позволило улучшить спектральные характеристики монохроматора. Был также исследован и разработан специальный тип цифрового фильтра, согласованный с особенностями функционирования фурье-спектрометра.

§1.2 посвящен разработке и анализу функционирования оптических узлов спектрометра высокого разрешения, определяющих его спектральные характеристики, и в первую очередь интерферометра - основного звена, преобразующего исследуемое излучение в соответствующую интерферограмму. В ходе создания спектрометра УФС-02 был предложен и разработан оригинальный интерферометр (рис.1), защищенный авторским свидетельством [4]. Его особенностью явилось выполнение компенсатора и светоделителя на единой пластине, а также использование ретрорефлекторов («кошачий глаз») и вспомогательных плоских зеркал. Все это позволило устранить фазовые искажения в интерферограмме, обусловленные дисперсией материала светоделителя, при сниженных (по сравнению с традиционными схемами) требованиях, предъявляемых к качеству изготовления и материалу светоделителя - компенсатора.

Проведено исследование общих закономерностей функционирования используемых в интерферометре ретрорефлекторов «кошачий глаз». Показано, что повороты подвижного отражателя приводят к параллельному сдвигу (d) отраженного от ретрорефлектора луча относительно его первоначального направления. Причем величина сдвига d ? 2rш cosц, где ш - угол поворота отражателя вокруг некоторой оси вращения B, лежащей на расстоянии r от точки S (изображения центра кривизны малого зеркала ретрорефлектора в большом зеркале), ц - угол между SB и лучом. Указанный сдвиг влияет на качество интерференционной картины. Для его устранения в плечи интерферометра введены плоские зеркала 5 и 7 (Рис.1), возвращающие отраженные в отражателях 4 и 6 лучи по пути падающих (независимо от смещения d). Удвоение оптической разности хода в плечах интерферометра позволяет при том же перемещении подвижного отражателя, что и в традиционных вариантах интерферометрического узла, получить вдвое большее разрешение в восстанавливаемом спектре. Рассмотрено влияние аберраций в ретрорефлекторах на волновые фронты световых потоков и даны рекомендации по их конструкции.

Рис.1. Оптическая схема интерферометра Фурье-спектрометра УФС-02. 1, 5, 7, 8 - плоские зеркала; 2 - пластина светоделителя-компенсатора; 3 - полупрозрачное покрытие; 4 и 6 - подвижный и неподвижный ретрорефлекторы.

В §1.3. продемонстрированы результаты измерений, выполненные с помощью созданного Фурье-спектрометра УФС-02. В частности была обнаружена и исследована тонкая (изотопическая) структура в сверхтонкой структуре электронного перехода в оптическом спектре кристалла двойного фторида лития-иттрия, активированного гольмием, LiYF4-Ho. Измеренные ширины линий в спектре гольмия, внедренного в кристаллическую решетку, не шире, чем в спектрах атомарного гольмия.

Результаты исследований, приведенные в первой главе, опубликованы в работах [2-14,19,22,25] и реализованы при создании фурье-спектрометра высокого разрешения УФС-02.

Во второй главе приводятся результаты исследований и разработок, связанных с созданием семейства специализированных фурье-спектрометров.

§2.1 посвящен разработке и исследованию Быстросканирующего фурье-спектрорадиометра БФС-01, предназначенного для измерения спектральной яркости поляризованного электромагнитного излучения высокотемпературной замагниченной плазмы в коротковолновой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, перекрывающей спектральный интервал первых электронных циклотронных гармоник.

Описаны структурная схема и система функционирования спектрометра.

Предложен и исследован интерферометрический узел (защищенный авторским свидетельством [28]), позволяющий одновременно регистрировать две интерферограммы с взаимно ортогональными поляризационными составляющими исследуемого излучения (Рис.2).

Этот узел состоит фактически из двух интерферометров, использующих общее сканирующее устройство («карусель»). Изменение оптической разности хода достигается путём вращения платформы, на которой устанавливается восемь двухгранных зеркал (диэдров). На входе каждого интерферометра установлены поляризаторы в виде проволочных вольфрамовых сеток, ориентированных на требуемую поляризацию исследуемого излучения. Светоделители и выходные поляризаторы также представляют собой аналогичные сетки, ориентированные заданным образом. Такое построение дает возможность одновременно получать спектры обоих поляризаций.

Рассмотрены уникальные технические характеристики прибора. Рабочая область спектра 100 - 5000 мкм, спектральное разрешением 0,1 см^-1 и временное разрешение 0,005с.

Рис. 2. Принципиальная оптическая схема Фурье-спектрорадиометра БФС-01

В §2.2 описан и исследован Фурье-спектрометр широкого применения АФ-1 (АФ-3), приведены примеры его использования в научных и прикладных применениях.

Рассмотрена конструкция Фурье-спектрометра АФ-1. В ее основе лежит оригинальная схема двухлучевого интерферометра с периодическим изменением оптической разности хода путем вращательного качания блока, в котором укреплены светоделитель с компенсатором и два плоских зеркала (Рис. 3).

Рис.3 Принципиальная оптическая схема Фурье-спектрометра АФ-1: 1 - источник ИК излучения; 2 и 9 - параболические зеркала; 3, 6-8, 14 - плоские зеркала; 4 и 5 -светоделитель и компенсатор; 10 - жидкостная кювета; 11 - эллиптическое зеркало; 12 фотоприемник; 13 - гелий-неоновый лазер; 15 - приемник лазерного излучения; ПБ - подвижный блок; Х - ось вращения ПБ в приборе

Разработана и представлена необходимая методика настройки, калибровки и поверки прибора, освоенного в мелкосерийном производстве НТЦ УП РАН.

Фурье-спектрометр АФ-1 имеет спектральный диапазон от 400 до 4000 см^-1 и разрешение до 1 см^-1. Для решения задач в ближней ИК области спектра на его базе разработан Фурье-спектрометр АФ-3Б со спектральным диапазоном от 3300 до 10000 см^-1 и спектральным разрешением 2 см^-1. Основное различие приборов - в используемых светоделителях и приемниках ИК излучения.

На спектрометре АФ-1 в 25 ГосНИИ МО РФ проведены спектральные исследования горюче-смазочных материалов. Полученные статистические спектральные данные, позволяют идентифицировать любой образец горючего (из ряда товарных нефтепродуктов) по характерному набору спектральных параметров, а именно, по величинам оптических плотностей на характеристических полосах поглощения.

Предложен новый метод комплексной оценки качества нефтепродуктов, основанный на полученных результатах и реализованный в разработке автоматизированной системы идентификации и контроля качества горючего, которая состоит из Фурье-спектрометра АФ-1 и информационно-поисковой системы, позволяющей по ИК спектрам горючего проводить его идентификацию и контроль качества.

Рассмотренная система сертифицирована как средство измерения горюче-смазочных материалов (сертификат RU.C.31.018.B No 3362). На ее основе выпущен ГОСТ РВ 51560-2000 «Топлива жидкие. Экспресс-метод идентификации и контроля качества».

В §2.3 приводятся результаты исследований и разработок, проведенных в ходе создания портативного переносного ИК фурье-спектрометра ПАК-Б (Рис.4), предназначенного для получения спектров поглощения (оптической плотности) различных жидких или твердых образцов.

Рассмотрены эксплуатационные качества прибора. Легкий и небольшой по размеру. Работает как от источника переменного напряжения 220 В, так и от низковольтного автономного источника питания (например, от автомобильного аккумулятора - 12 В). Управление спектрометром, обработка получаемой спектральной информации, спектральный анализ и заключение об исследуемом образце (например, о показателях качества исследуемых горюче-смазочных материалов), осуществляется посредством Ноутбука. Прибор сохраняет свои рабочие параметры в широком диапазоне внешних температур (от + 10°С до + 30°С) и выдерживает соответствующие вибрации при перевозе в автотранспорте.

Основные технические характеристики спектрометра:

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

Предельное разрешение - 4 см^-1.

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

Отклонение уровня стопроцентного пропускания во всей области спектра - ±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.

Фурье-спектрометр оснащен жидкостными кюветами с окнами из KBr c толщиной жидкостного слоя - 100 мкм.

Корпусом прибора является серийный транспортный контейнер с удобной ручкой для переноса прибора.

Рис.4 Портативный переносной ИК фурье-спектрометр ПАК-Б

Рассмотрены устройство и принцип действия прибора

Конструктивно оптико-механическая часть прибора выполнена в одном корпусе и с помощью перегородок разделена на три функциональных блока:

- источник ИК излучения;

- кюветное отделение;

- интерферометр с приемной частью.

В качестве источника излучения используется керамический источник, работающий при температуре 1200°С.

В кюветном отделении установлен кюветодержатель для размещения жидкостной кюветы с исследуемым образцом.

Рассмотрена и исследована оптическая схема прибора.

Главной ее особенностью является узел интерферометра (Рис.5). В этом интерферометре светоделитель (1), компенсатор (2) и неподвижное зеркало (3) расположены внутри параллелограммного устройства, а подвижное зеркало (4) закреплено на параллелограммном устройстве с возможностью одновременного передвижения вдоль светового потока и в боковом направлении от светового потока (Рис.5). Такое решение позволило сделать интерферометр компактным и явилось основой полученных патентов на описанный фурье-спектрометр [44, 45].

Рис.5 Узел интерферометра Фурье-спектрометра ПАК-Б

Рассмотрен анализатор качества автомобильных бензинов, созданный на основе разработанного спектрометра и предназначенный для целевого использования в лабораторных и полевых условиях в качестве автоматизированной системы идентификации и контроля качества горючего при определении соответствия топлива требованиям нормативных документов (аналог системы из §2.2).

Проведенный анализ современных методов контроля качества бензинов и собственные исследования по контролю их качества с помощью метода ИК-Фурье спектроскопии позволили получить следующие результаты.

1. На основе ИК спектров бензинов, формируемых в диапазоне 450 4500 см-1 , можно проводить уверенную идентификацию их марок.

2. На основе тех же ИК спектров с помощью математической обработки можно проводить оценивание основных показателей качества бензинов.

3. Для идентификации и оценивания качества бензинов реализована технология, построенная на последовательном решении трех задач:

3.1. оптимальном различении огибающих «близких» спектральных распределений;

3.2. формировании базы данных «опорных» спектральных распределений и «эталонных» векторов показателей качества бензинов;

3.3. построении экспертных правил (знаний), на основании которых будут синтезироваться показатели качества бензинов по их измеренным ИК спектрам.

§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 ц(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 у₀) излучения она принимает вид

B/N = {hNu/[Ц₁²(у₀,<V>) + Ц₂²(у₀,<V>)]}^1/2 (<V>/ДV),

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

Ц₁(у,<V>) = [у<V>/A(f(у,<V>))](dA(f)/df)_f(у,<ДV>), Ц₂(у,<V>) = у<V>(dц(f)/df)_f(у,<ДV>),

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(2nрk/(2N)),

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

A'(k) = Ц(n)cos²ⁿ(рk/(2N)) = R(n) x²ⁿ,

где Ц(n) и R(n) коэффициенты разложения функции A'(k), а параметр х = х₀ cos(рk/(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-м x₀^2м (N+n+м-1)!/[м!(2n+м)!(N-n-м)!],

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(рk/(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/(0.6р))[(ln(H + (H² - 1)^1/2)² - (ln(H/2 + ((H/2)² - 1)^1/2))²]^1/2,

где H = 3рh₀/(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(рkn/N),

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 - Ѕ)²)/(a² + (м - Ѕ)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.

...