Оптико-электронные системы

неограниченной зоной линейности: а – рисунок растра; б – изменение потока излучения, прошедшего через растр, во времени; в – изменение коэффициента пропускания растра вдоль оси y.

мплитудной характеристики и несущей частотой

Рис. 88. Растр для смешанной

частотно-время-импульсной модуляции

Рис. 89. Растр для широтно - импульсной модуляции

10

19. Технические основы систем лазерного зондирования.

Одну из мощных современных возможностей дистанционного изучения (количественного контроля) атмосферы и её составляющих обеспечивают лидары – лазерные локационные системы.

Задача лидарного зондирования в приближении однократного рассеяния связана с решением уравнения (уравнения лазерного зондирования).

, (55)

где P(z,) – мощность принимаемого сигнала;

P_o() – мощность зондирующего импульса;

_ - объемный коэффициент обратного рассеяния;

z = с_u/2 – пространственное разрешение, зависящее от длительности импульса _u и скорости света с;

(z,) – объемный коэффициент ослабления излучения;

А – константа прибора, определяемая площадью приемной системы и пропусканием её элементов;

G(z) функция геометрического фактора лидара.

Функция G(z) определяется процессом виньетирования приемной системой лидара сигнала обратного рассеяния, она может быть расчитана (см. рис. ), если заданы диаметр приемного телескопа D₀, поперечный размер зондирующего пучка излучения ₀ и его углвая расходимость Q_n, фокусное расстояние приемного телескопа и расстояния B и угла  между оптическими осями передатчика и приемника лидара, форма и положение полевой диафрагмы приемной системы, например, её расстояние от фокальной плоскости z_0. Меняя z₀ можно в значительной степени варьировать динамическим диапазоном лидарного сигнала.

Представленный вариант зондирования может быть расширен за счет много волновой локации или т.н. многочастотного лазерного зондирования. В этом случае удается за счет применения методов решения “обратных задач” трансформировать высотные профили (z,) в спектры размеров аэрозолей N(r,z) на соответствующей высоте z.

Применение двухчастотного зондирования используется для определения концентрации газов в атмосфере, например, её влажности.

• Лазерное зондирование влажности a(z) осуществляется лидарным методом дифференциального поглощения, основанном на сравнении двух сигналов, один из которых соответствует длине волны _n, совпадающей с линией поглощения паров воды, второй – близкорасположенной длине волны _o вне области поглощения.

Причем:

(56)

где k₀(z),k(z) – профили коэффициентов поглощения на длинах волн ₁,₀;

z пространственное разрешение по трассе зондирования;

P₀(z) и P₁(z) – профили регистрируемых отраженных сигналов на соответствующих длинах волн, приведенные к одному уровню энергии зондирующего импульса. Эти сигналы описываются уравнением (55).

Лидар дифференциального поглощения представляет собой сложный оптико-электронный комплекс. О его принципиальной схеме можно судить по рис.98.

К1

К2

ФЭУ 3

Ф

Рис. 98

Источники излучения лазер 1 (694,383 нм) и лазер 2 ( =1 см^-1) генерирует импульсы со сдвигом во времени ~200 относительно друг друга. Часть излучения, для контроля, уровня энергии направляется к ФЭУ_(1,2) . (k_1,2 - коллимторы). В аппаратуре, показанной на рис.98, применены в приемной системе два ФЭУ_(3,4) для уменьшения динамического диапазона сигнала (возможная альтернатива – применение т.н. динодного съема сигналов при одном ФЭУ).

Для защиты фотокатода ФЭУ₄ от мощной засветки, поступающей от близлежащего участка пространства применен блок управления модулятором (БУМ). Метод дифференциального поглощения (МДП), как отмечалось применим для определения концентрации различных газов (NO₂, SO₂, O₃, NH₃, CO₂). Используется УФ, видимая и ИК области спектра. В последнем случае нашли применение в виде промышленных разработок трассовые лазерные измерители концентрации, которые обладают большей точностью и помехоустойчивостью.

Вариант конструктивного исполнения приемопередающего блока лидара показан на рис.99. На рис.100 приведена схма , поясняющая режим работы лидара при контроле состояния атмосферы при рудных разработках.

Наряду с МДП все шире применяются лазерные локаторы – спектрометры, использующие явление комбинационного рассеяния и флуоресценции. Принцип действия этих приборов заключается в следующем. Все элементы окружающей среды при облучении коротковолновым (УФ) излучением способны генерировать возбужденное (флуоресцентное) излучение на характерных для данного вещества частотах. Поэтому в приборе на рис. 99 в кчестве источника первичного излучения использован лазер на красителе, обладающий достаточно широкой областью генерируемого спектра ( в качестве источника накачки применялся эксимерный лазер). Излучение лазера на красителе направляется на исследуемый элемент окружающей среды. Излучение флуоресценции воспринимается приемным оьъективом, разлагается компактным монохроматором для выделения интересующего участка длин волн . Величина сигнала I() и будет искомой количественной характеристикой контролируемого участка.

Рис. 99 . Внешний вид приемо-передающего блока лидара.

Рис. 100. Схема работы лидара в режиме контроля открытого

рудного карьера.

19. Применение технологии флуоресцентного анализа в других практических задачах.

В последне время происходит бурное развитие флуоресцентных методов анализа и создаются новые приборы, работающие на принципе измерения флуоресценции образцов в различных агрегатных состояниях. Второе рождение этого направления связано с появлением новой элементной базы (лазеры, высокочувствительные приемники излучения для ультрафиолетовой и видимой области спектра), что привело к существенному повышению чувствительности флуоресцентного метода и достижению рекордных значений минимально определяемых концентраций не регистрируемых другими методами анализа. Принципиальные изменения в структуру построения флуоресцентных приборов внесло также появление многоэлементных фотоприемников, что позволило исключить сканирующие устройства из приборов, тем самым упростить их конструкцию и значительно уменьшить их габариты.

Расширение области применения флуоресцентных приборов стимулируют исследования спектров флуоресценции многих объектов и веществ. Например показана высокая эффективность их применения в диагностике качества нефтепродуктов, определения состояния живой ткани в процессе операции или при оценке неизвестного медикоментозного вмешательства в организм человека, так как было показано, что УФ флуоресценция клеток реагирует на малейшие нарушения их функционального состояния, причем зачастую динамику интенсивности излучения удается зарегистрировать даже тогда, когда никакие другие методы не улавливают каких-либо функциональных и структурных изменений в тканях.

В частности, в Казани проведены исследования по изучению спектров люминесценции органов желудочно-кишечного тракта в норме и в экспериментальном илеусе и в практике РКБ освоен новый метод диагностики воспалительных заболеваний органов желудочно-кишечного тракта.

Для флуоресцентной диагностики в медицине используется прибор , схема которого приведена на рис.101. Прибор имеет оригинальную оптическую схему с использованием многоэлементного фотоприемника и импульсного азотного лазера. Для удобства работы излучение лазера и излучение флуоресценции направляется по двум кварцевым одножильным световодам, сформированным в кабель-зонд с устройством для ввода его в анализируемую среду. Излучение лазера через согласующую оптику подается на вход световода, по которому производится облучение исследуемого объекта. Излучение флуоресценции со световода подается на входную щель полихроматора, относитеьное отверстие которого согласовано с апертурным углом кварцевой жилы и составляет величину1:4. Необходимая обратная линейная дисперсия 0,030 мкм/мм при данной светосиле и размере фотоприемника достигается применением вогнутой дифракционной решетки (300 штр/мм) с радиусом кривизны 100 мм. При этом спектральное разрешение прибора при ширине щели 0,1 мм составляет ~ 3 нм. В плоскости спекттра полихроматора установлен многоэлементный фотоприемник – фотодиодная линейка, имеющая 500 светочувствительных площадок размерами 26х500 мкм. Выходной сигнал с приемника излучения усиливается в предварительном усилителе и поступает на схему двойной коррелированной выборки (ДВК), которая предназначена для уменьшения шума фотоприемника.

С ДВК аналоговый сигнал поступает в АЦП, где преобразуется в цифровую форму и вводится в микроЭВМ с помощью устройства ввода и управления (УВиУ). По командам с микроЭВМ устройство ввода и управления формирует диаграмму управляющих напряжений для фотоприемника посредством схемы формирования уровней (СФУ). Кроме того, с УвиУ производится управление электромеханическим затвором (ЭМЗ), установленным перед входной щелью полихроматора.

Графическое и цифровое представление сигнала отображается на мониторе. Программа управления и обработки информации записана на магнитном носителе и вводится в микроЭВМ через устройство УВХЛ (магнитофон). При необходимости работы прибора длительное время в жесткой программе, программа записывается в ПЗУ.

Возвращаясь к проблеме контроля нефтепродуктов, можно показать, что они также флуоресцируют при возбуждении их излучением лазера, а значит для их определения можно использовать вышеописанный прибор для медицины. Вместе с тем, эксперименты показывают, что для работы с нефтепродуктами, растворенными в воде (одна из задач экологического контроля!) чувствительность описанного прибора недостаточна, чтобы работать с реальными образцами без их обогащения. Для повышения чувствительности прибора в полихроматор может быть введен дополнительно усилитель яркости – электронно – оптический преобразователь (ЭОП), с которым стыкуется многоэлементный приемник. Предложенная схема позволила повысить чувствительность прибора на три порядка.

Рис. 101. Функциональная схема прибора:1 –лапароскоп; 2 – кварцевые одножильные световоды; 3 – многоэлементный приемник; 4 – узел сопряжения со световодом; 5 – импульсный лазер; 6 – электромеханический затвор; 7 – полихроматор; 8 – предварительный усилитель; 9 – схема двойной коррелированной выборки; 10 – аналого-цифровой преобразователь: 11 – устройство ввода и управления; 12 – схема формирования уровней; 13 – магнитофон; 14 – микроЭВМ; 15 – монитор; 16 – анализируемая среда.

19. Источник фемтосекундного импульсного излучения в аимосфере.

Солнце, звезды, луна, находящиеся вне атмосферы – важные источникм излучения, используемые при определении характеристик атмосферы Земли. Однако эти источники освещения не позволяют вести наблюдения на любой нужной высоте, там где это необходимо. Поэтому долгое время мечтой ученых геофизиков–метеорологов было создание источника излучения на определенной высоте. В Германии и США проведены эксперименты с фемтосекундными лазерными импульсами (< 10^-14с) большой мощности, которые посылались в атмосферу в вертикальном направлении. При этом на месте прохождения импульса наблюдалось явление генерации белого света. . Реализованный опыт позволяет вплотную приблизиться к мечте о беспроводном источнике белого света в небе, открывающим новые многообещающие перспективы в области исследования атмосферы.

Генерация белого света в газах при фокусировании излучения ультракоротких импульсов лазеров с энергией в импульсе Твт (>10¹² вт) –известное явление. В ходе последних экспериментов показано, что при использовании современных лазеров, работающих в фемтосекундном режиме, сфокусированные импульсы лазерного излучателяобеспечивают интенсивный белый свет в газе или воздухе и генерируют устойчивые световые полосы с размерами 10 м.

Экспериментальная установка показана на рис.102.

Излучающая часть установки включает: лазерную систему, работающую в фемтосекундном импульсном режиме, устройство сжатия импульсов, оптику фокусировки луча и управления им. Лазерные импульсы максимальной мощностью ~ 2,2 Твт наводились из лаборатории и направлялись в вертикальном направлении. Эти импульсы либо в незначительной степени фокусировались с помощью собирающей линзы, либо направлялись без использования оптики. В последнем случае луч быстро исчезал вследствии самофокусировки. Однако в любом случае профиль распределения интенсивности луча был неустойчив и разделялся вследствие самофокусировкина многочисленные нити, в которых происходит генерация (квази) непрерывного излучения.

Как показывает фотоснимок на рис.102 белый свет виден на небе на большом расстоянии даже невооруженным глазом. В отличие от почти невидимого темно-красного цвета лазерного источника фемтосекундных импульсов, луч кажется желто-белым, причем интенсивность рассеянного света достигает своего максимума на высоте ~ 2 км. Это повышение интенсивности связано с наличием температурного инверсионного слоя, где происходит скопление атмосферных аэрозолей, рассеивающих белый свет.

Рис. 102.

1 – излучатель (длительность импульса 110 фемтосек), 2- приемник, 3 – система сжатия импульсов,4 – фокусирующая линза, 5 – система лазера на титане/сапфире, работающего в фемтосекундном импульсном режиме, 6 – оптическое волокно, 7 – телескоп, 8 – оптический многоканальный анализатор

Рис. 103 Фотоснимок атмосферного канала белого света, сделанный с внутреннего двора здания физического факультета университета имени Ф.Шиллера в Йене.

Описанное явление было использовано при создании установки-лидара, в которой излучающая и приемная системы были разнесены на расстояние 10 м. Лазер изготовлен на титане/сапфире в качестве усиливающей среды и работает на длине волны =790 нм (спектральная ширина – 11 нм, длительность импульса -~ 110 фсек). Максимальная энергия импульса на выходе – 240 миллиджоулей (после сжатия –Твт) при частоте повторения 10 Гц. Диаметр пучка, проходящего через конечную апертуру системы – 60 мм.

Рассеянный обратный свет собирался с помощью телескопа Кассегрена и фокусировался непосредственно на волоконный кабель диаметром 1 мм. Спектральная характеристика принимаемого света анализировалась с помощью оптического многоканального анализатора (ОМА). Основная длина волны лазерного излучения во время этих измерений подавлялась цветными стеклянными фильтрами.

66

8. Ослабление оптического излучения в атмосфере

Наличие атмосферы между наблюдаемым объектом и ОЭС обычно является причиной основных помех. Энергия излучения от объекта ослабляется при прохождении сквозь атмосферу, трансформируется её спектральный состав Кроме того, градиенты температуры в атмосфере вызывает турбулентность, связанную с неоднородностью показателя преломления воздуха, что обуславливает флуктуации амплитуды, фазы и угла падения излучения на входной зрачок прибора и, как следствие, ухудшение качества сигнала изображения.

Ослабление излучения зависит от следующих явлений:

• молекулярного поглощения газами, входящими в состав атмосферы,

• ослабления за счет поглощения и рассеяния излучения атмосферным аэрозолем – твердыми и жидкими частицами вещества, взвешенными в воздухе и образующими дымки, туманы, дым и облака.

• молекулярного рассеяния,

• ослабления за счет флуктуаций на входном зрачке.

8. Молекулярное поглощение излучения

Уже продолжительное время – по крайней мере с 50-х годов молекулярное поглощение (МП) в атмосфере является предметом теоретических и экспериментальных исследований, и составляет важнейшую часть относительно молодого направления в науке – прикладной атмосферной оптики. Подобный интерес определен не только проблематикой создания и эксплуатации ОЭС, но и многими другими геофизическими задачами, включая экологию, прогноз погоды и климатических изменений.

Методы и исследования МП –

• лабораторные и натурные исследования функций спектрального молекулярного пропускания, спектроскопических характеристик оптически активных газов, разработка теоретических и эмпирических методик расчета, статистически обеспеченных как и в задаче о свойствах фонов:

• получение статистических данных о вариациях концентрации поглощающих газов и ряда определяющих параметров (температура, давление).

Картины структуры спектра молекулярного поглощения излучения в УФ, видимом ИК диапазоне волн иллюстрируют рис.20,21. На рисунках приведено положение основных полос поглощения основных атмосферных газов.

Рис. 20 Общая картина спектра поглощения оптического излучения атмосферными газами с обозначением центров полос

(представлена по измерениям солнечного излучения)

Рис. 21. Экспериментальный спектр прозрачности /7/ слоя атмосферы

0,3 км над уровнем моря (толщина осажденного слоя воды

температура воздуха +26С

Продолжение рис.21

(фрагменты г,д,е)

продолжение рис.21

(фрагменты ж,з,и)

8. Методы расчета МП.

В настоящее время в практике используют три метода расчета молекулярного поглощения или как удобнее – молекулярного пропускания _

(6 )

/Здесь I₀ – амплитуда сигнала на уровне источника излучения,

I_L – амплитуда сигнала на входном зрачке ОЭC, удаленном на расстояние L от источника/:

• теоретический /”линия за линией”/, когда интегрируется функция () с учетом каждой из сотен линий поглощения в пределах интервала ;

• полуэмпирический;

• эмпирический.

Теоретический метод в последние годы все шире используется в зарубежной практике и предполагает знание положения каждой линии поглощения каждого из атмосферных газов, а также форму и интенсивность этих линий.

Расчёты _ осуществляются с разрешением по спектру длин волн для интервалов=20 см^-1 относительно мощными ЭВМ, в памяти которых содержится база спектроскопической информации. Процесс расчета в зарубежной литературе – этот метод определен как “расчет линия за линией” и оформлен в виде стандартных программных средств типа “Hitran”, которые постоянно уточняются.

Полуэмпирический метод получил основное развитие также за рубежом.

Его суть связана с упрощением реальной структуры спектра поглощения, отражающим характерные особенности различных газов.

Например, из эксперимента известно, что такие газы как СО₂, СО, НСl имеют ту особенность, что линии поглощения расположены по спектру упорядоченно. Это обстоятельство используется в модели Эльзассера, в которой реальная полоса поглощения заменяется совокупностью равноудаленных линий поглощения одинаковой интенсивности. Подобный подход позволяет свести расчет _ к одной достаточно сложной формуле

, (7 )

где

d-среднее расстояние между линиями, I(x) – функция Бесселя,  - полуширина спектральной линии, S-её интенсивность, - количество поглощающего вещества на трассе.

Известны дальнейшие упрощения расчетной формулы (7).

Основные недостатки модели – её сложность и погрешности.

Другой пример. Такой газ, как пары воды, характеризует нерегулярное распределение линий поглощения в измеренных спектрах. Это обстоятельство вызвало к жизни статистическую модель (модель Гуди), которая предполагает замену реальной полосы поглощения набором линий, расположенных случайным образом.

Дальнейшее развитие полуэмпирического метода расчета _ характеризует модель полосы поглощения в виде случайно расположенных в её спектре полос Эльзассера.

В этой модели

, (8)

где N – число наложенных друг на друга полос Эльзассера.

Для j –полосы полуширина линии, _i - расстояние между линиями, d_i - интенсивность S_i.

Модель (8) нашла применение при описании оптических трасс большой протяженности при наличии слабых линий поглощения (т.е. когда ).

И, наконец, агрегатный метод – где используется совокупность вышеперечисленных методов и достигается – наиболее близкое к реальному описание функций _ для основных абсорбентов атмосферы – паров воды и углекислого газа.

Как видно, полуэмпирические методы и их комбинации используют стилизации, следующие из качественной оценки спектров _{эксп.,} экспериментальные данные и теоретические модельные расчеты о спектроскопических параметров линий. При этом достигается удовлетворительное совпадение с экспериментом в отдельных участках функций _расч(), (где  - поглощающая масса газа) и расхождении расчетных и экспериментальных значений _ в других.

Эмпирический метод, который нашел свое развитие в таких зарубежных разработках как “Lowtran”, “Modtran” и активно развивается в отечественных разработках, наиболее удобен в инженерной практике. Исследования показали, что функция _, по крайней мере в пределах _=0,05…0,95 может быть аппроксимирована соотношением вида

(9 )

где _ - коэффициент, определяющий интенсивность поглощения в области _i /определяется из эксперимента/, m_ и n_ - эмпирические параметры,  - количество поглощающего газа на трассе, p – давление, равное сумме давлений (поглощающегося и т.н. уширяющегося газа). Соотношение (9) отвечает однородной горизонтальной трассе визирования. В общем случае

(10)

где _эфф- эффективная поглощающая масса газа, определяемая интегрированием по оптической трассе L с учетом реальной стратификации поглотителя в атмосфере.

Известен также графический метод расчета _ , который базируется на использовании соотношения (10). Действительно, можно показать, что (10) соответствует: