Гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр ближнего инфракрасного диапазона

 

Полезная модель относится к пассивной инфракрасной спектроскопии и спектрорадиометрии высокого разрешения и может быть использована при применении аналитических методов, широко используемых в космических исследованиях, астрофизических наблюдениях, в прикладных задачах контроля состояния окружающей среды и производственных процессов для прецизионного (высокоточного) дистанционного измерения концентраций молекулярных газов, поля скоростей и термодинамических характеристик разреженных газообразных сред и т.п.

Технической задачей, решаемой в представленной полезной модели, является создание гетеродинного волоконного спектро-радиометра высоко разрешения ближнего инфракрасного диапазона, который позволил бы при существенно меньших габаритах и массе, а также более простом устройстве и сниженных требованиях к условиям эксплуатации перейти достичь теоретического предела чувствительности и обеспечить снижение влияние шумов и высокую точность измерения.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что предлагается гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр ближнего инфракрасного диапазона, содержащий оптическое приемное устройство, локальный осциллятор, стабилизированный с высокой точностью, волоконный разветвитель, диплексор, реперный канал, включающий заполненную газом кювету и фотодиод, аналитический канал, включающий фотоприемник и предусилитель, электронный блок, отличающийся тем, что оптическое приемное устройство и локальный осциллятор имеют одномодовые волоконные выводы излучения, диплексор выполнен в виде одномодового волоконного разветвителя, а предусилитель аналитического канала выполнен с узкой полосой пропускания.

Предлагаемый спектро-радиометр может применяться в составе различных полевых, бортовых и промышленных систем, предназначенных для измерения спектра ярких удаленных источников с высоким спектральным разрешением; для задач мониторинга климата и загрязнения атмосферы, пассивных допплеровских измерений поля скоростей, задач газоанализа и в других случаях, когда активные методы лазерной и гетеродинной спектрометрии неприменимы.

Полезная модель относится к пассивной инфракрасной спектроскопии и спектрорадиометрии высокого разрешения и может быть использована при применении аналитических методов, широко используемых в космических исследованиях, астрофизических наблюдениях, в прикладных задачах контроля состояния окружающей среды и производственных процессов для прецизионного (высокоточного) дистанционного измерения концентраций молекулярных газов, поля скоростей и термодинамических характеристик разреженных газообразных сред и т.п.

Сущность гетеродинного метода, позволяющего вести высокоточные измерения с высоким спектральным разрешением, заключается в смешении исследуемого излучения с опорным излучением (гетеродином) на квадратичном элементе. Приборы, осуществляющие этот метод, применяют в диапазонах высоких и сверхвысоких частот.

Одна из основных проблем гетеродинирования в ближнем инфракрасном диапазоне - жесткие требования к юстировке при совмещении фронтов сигнального излучения и излучения локального осциллятора и обеспечение достаточно высокой точности измерения, поскольку для эффективного преобразования гетеродинного сигнала в область промежуточных частот требуется высокое качество волнового фронта. Для достижения этого в гетеродинных приборах, как правило, используется диплексор - специальное устройство, совмещающее сигнальное излучение с излучением локального осциллятора. Из патентных источников информации и научно-популярной литературы известен ряд спектро-радиометров высокого разрешения, в основе которых лежит принцип гетеродинирования, например, в патенте США US 3766380 (А) (1), описан принцип построения гетеродинного радиометра, предназначенного для мониторинга степени загрязнения атмосферы, в патенте Российской федерации RU 2402749 (2) описан гетеродинный спектрометр электромагнитного излучения, работающий в гигатерагерцевом диапазоне.

Известные аналоги имеют несколько существенных недостатков:

1. В основе известных устройств лежит открытая оптическая схема, такая схема требует постоянной и тонкой юстировки, что делает спектро-радиометр чувствительным и неустойчивым к вибрациям;

2. Использование компонент среднего инфракрасного диапазона спектра, обладающих существенными шумами, не позволяет вести измерения вблизи теоретического предела;

3. Чувствительность известных спектро-радиометров находится далеко от теоретического предела чувствительности и составляет порядка 4-6 теоретических пределов, определяемого дробовым шумом фототока - величина предела , где е - заряд электрона, i - величина фототока, В - ширина полосы предусилителя.

4. Разработанные приборы обладают большими масс-габаритными характеристиками, что усложняет и ограничивает условия эксплуатации этих приборов;

5. Предлагаемая в аналогах схема устройства включает дополнительно спектроанализатор промежуточных частот.

Наличие всех этих недостатков не позволяют получить спекрометр-радиометр ближнего инфракрасного диапазона, позволяющий вести измерения вблизи теоретического предела, обеспечивающий низкое влияние шумов, высокую точность измерения и имеющий небольшие масс-габаритные характеристики.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является описанный в статье (3) гетеродинный солнечный спектро-радиометр высокого разрешения, работающий в диапазоне спектра излучения около =8.4 мкм.

Оптическая схема, применяемая в прототипе, является открытой и совмещение фронтов излучения происходит на оптическом делителе луча. Такая схема требует постоянной юстировки, что не позволяет добиться достаточно высокой точности измерения. Кроме того, устройство прототипа таково, что регистрация гетеродинного сигнала происходит в достаточно широкой полосе диапазона частот. В рассматриваемом в статье прототипе оцениваемый диапазон частот излучения составляет порядка сотни мегагерц. Использование большого диапазона частот излучения также не позволяет обеспечить достаточно высокую точность измерения. Кроме того, уровень шумов прибора, описанного в статье, составляет 28 теоретических пределов. Вышеуказанные недостатки, а также наличие в схеме прототипа спектроанализатора промежуточных частот не позволяют при работе данного устройства вести измерения вблизи теоретического предела и обеспечить снижение влияние шумов, достаточно высокую точность измерения и небольшие масс-габаритные характеристики.

По мнению заявителя, вышеописанные проблемы снимаются, если излучение распространяется в одномодовом волноводе, в качестве диплексора используется разветвитель на основе одномодового кварцевого волокна и излучение после выхода из которого смешивается в выходящем одномодовом волокне, при этом аналитический канал спектро-радиометра выполнен таким образом, что обеспечивается регистрация гетеродинного сигнала в узкой полосе промежуточных частот (единицы мегагерц).

Технической задачей, решаемой в представленной полезной модели, является создание гетеродинного волоконного спектро-радиометра высоко разрешения ближнего инфракрасного диапазона, который позволил бы при существенно меньших габаритах и массе, а также более простом устройстве и сниженных требованиях к условиям эксплуатации перейти в спектральный диапазон =1-2 мкм, достичь теоретического предела чувствительности и обеспечить снижение влияние шумов и высокую точность измерения.

Решение поставленной технической задачи достигается тем, что предлагается гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр ближнего инфракрасного диапазона, содержащий оптическое приемное устройство, локальный осциллятор, стабилизированный с высокой точностью, волоконный разветвитель, диплексор, реперный канал, включающий заполненную газом кювету и фотодиод, аналитический канал, включающий фотоприемник и предусилитель, электронный блок, отличающийся тем, что оптическое приемное устройство и локальный осциллятор имеют одномодовые волоконные выводы излучения, диплексор выполнен в виде одномодового волоконного разветвителя, а предусилитель аналитического канала выполнен с узкой полосой пропускания.

Возможны дополнительные варианты выполнения спектро-радиометра, в которых целесообразно, чтобы:

- локальным осциллятором являлся полупроводниковый лазер;

- оптическим приемным устройством является короткофокусная асферическая линза.

Предлагаемое техническое решение представляет собой гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр высокого разрешения ближнего инфракрасного диапазона. Предлагаемый спектро-радиометр отличается от известных аналогов тем, что весь оптический тракт помещен в одномодовое волокно, и юстировка, соответственно, не требуется, а также отсутствием спектроанализатора промежуточных частот, поскольку при работе предлагаемого спектро-радиометра развертка по спектру осуществляется за счет сканирования частоты локального осциллятора.

Краткий перечень чертежей

На фиг.1 представлена блок-схема гетеродинного волоконно-оптического спектро-радиометра ближнего инфракрасного диапазона;

На фиг.2 представлена зависимость оптической толщины от волнового числа для линия поглощения метана в атмосфере.

Спектро-радиометр состоит из оптического приемного устройства 1 с волоконным выводом излучения, в качестве которой используется короткофокусная асферическая линза, локального осциллятора 2, роль которого выполняет полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью и волоконным выводом излучения, волоконного разветвителя 3, диплексора 4, роль которого выполняет Y-образный волоконный разветвитель, реперного канала 5, состоящего из кюветы 6, заполненной газом, и фотодиода 7, аналитического канала 8, состоящего из фотоприемника 9 и предусилителя 10 с узкой полосой пропускания, блока электроники 11.

Устройство работает следующим образом: излучение, поступающее по одномодовому волокну от оптического приемного устройства 1 и излучение от локального осциллятора 2 через волоконный разветвитель 3 подается на два входа диплексора 4, роль которого выполняет Y-образный волоконный разветвитель и смешивается в выходящем одномодовом волокне. Смешанное в выходящем одномодовом волокне излучение поступает в аналитический канал 8, который служит для регистрации гетеродинного сигнала. В аналитическом канале сигнал смешанного излучения попадает на фотоприемник 9, сигнал которого усиливается с помощью предусилителя 10. Затем сигнал обрабатывается блоком электроники 11 путем вычисления дисперсии шумовой компоненты, которая пропорциональна спектральной плотности анализируемого излучения в диапазоне частот, соответствующем текущей полосе генерации локального осциллятора. Стабилизация с высокой точностью частоты излучения локального осциллятора 2 обеспечивается при поступлении излучения от локального осциллятора 2 с помощью волоконного разветвителя 3 в реперный канал 5, который необходим для стабилизации частоты излучения локального осциллятора по линии поглощения газа, находящегося в кювете. Регистрация гетеродинного сигнала осуществляется в узкой полосе частот предусилителя (1-50 МГц) при одновременном изменении частоты локального осциллятора (1-60 ГГц). Развертка по спектру осуществляется за счет изменения частоты излучения лазера (локального осциллятора).

В качестве диплексора может быть использован любой волноводный оптический канал, обеспечивающий селекцию мод, необходимую для совмещения волновых фронтов локального осциллятора и анализируемого излучения с необходимой точностью. В качестве фотоприемника может быть использовано любое устройство, чувствительное в заданном диапазоне спектра и обладающее детектирующей способностью, достаточной для регистрации дробовых шумов фототока в полосе частот, соответствующей ширине линии генерации локального осциллятора. В качестве локального осциллятора может быть использован любой перестраиваемый лазер с волоконным выводом излучения, диапазон и точность перестройки которого достаточны для обеспечения развертки спектра анализируемого излучения. Собственные шумы локального осциллятора не должны превышать уровня дробового шума фототока. Для этой цели могут, в частности, использоваться полупроводниковые лазеры и лазеры на квантовых каскадах (QCL).

В качестве примера конкретного выполнения может быть представлен гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр ближнего инфракрасного диапазона, включающий: 1 - асферическую линзу диаметром 5 мм и фокусным расстоянием 50 мм, 2 - полупроводниковый диодный лазер с распределенной обратной связью и длиной волны излучения 1,651 мкм, 3 - волоконный разветвитель на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм, 4 - диплексор в виде Y-образного волоконно-оптического разветвителя на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм, 5 - реперный канал, включающий 6 - стеклянную кювету длиной 5 см, заполненную метаном при давлении 10 мБар и 7 - фотодиод InGaAs с размером фоточувствительной площадки 2 мм, а также аналитический канал 8, включающий 9 - pin диод на основе InGaAs и 10 - трансимпедансный предусилитель с сопротивлением обратной связи 240 КОм и шириной полосы пропускания 1 МГц.

С помощью разработанного прибора была получена линия поглощения метана в атмосфере (Фиг.2)

Предлагаемый спектро-радиометр может применяться в составе различных полевых, бортовых и промышленных систем, предназначенных для измерения спектра ярких удаленных источников с высоким спектральным разрешением; для задач мониторинга климата и загрязнения атмосферы, пассивных допплеровских измерений поля скоростей, задач газоанализа и в других случаях, когда активные методы лазерной и гетеродинной спектрометрии неприменимы.

Таким образом, сочетание оптического приемного устройства с волоконным выводом излучения в виде одномодового волокна, локального осциллятора в виде перестраиваемого лазера с волоконным выводом излучения, стабилизированного с высокой точностью через реперный канал, диплексора в виде волоконно-оптического разветвителя с одномодовым волоконным выводом и аналитического канала, чувствительного в ограниченной полосе частот, позволяет добиться теоретического предела чувствительности, снизить влияние шумов и обеспечить высокую точность измерения при относительно простом устройстве, ограниченных габаритах и массе и технологической доступности всех компонентов.

Источники

1. Патент США US 3766380 (А)

2. Патент РФ RU 240274

3. D.Weidmann, G. Wysocki, High-resolution broadband (>100 cm-1) infrared heterodyne spectro-radiometry using an external cavity quantum cascade laser, Opt. Express 17, 248 (2009)

1. Гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр ближнего инфракрасного диапазона, содержащий оптическое приемное устройство, локальный осциллятор, стабилизированный с высокой точностью, волоконный разветвитель, диплексор, реперный канал, включающий заполненную газом кювету и фотодиод, аналитический канал, включающий фотоприемник и предусилитель, электронный блок, отличающийся тем, что оптическое приемное устройство и локальный осциллятор имеют одномодовые волоконные выводы излучения, диплексор выполнен в виде одномодового волоконного разветвителя, предусилитель аналитического канала выполнен с узкой полосой пропускания.

2. Гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр по п.1, отличающийся тем, что локальным осциллятором является полупроводниковый лазер.

3. Гетеродинный волоконно-оптический спектро-радиометр по п.1, отличающийся тем, что оптическим приемным устройством является короткофокусная асферическая линза.



 

Похожие патенты:

Прибор радиационного контроля применяется при измерениях активности гамма-излучающих радионуклидов, при сертификации продукции по радиационному признаку, для определения содержания гамма-излучающих радионуклидов в продуктах питания, образцах почвы, лесоматериалах и других объектах, а также для поиска источников гамма-излучения. В соответствии с поставленными целями исследования, устройство снабжается гамма, бета, альфа (радиометрическими) или нейтронными датчиками. При этом, полезная модель отличается тем, что сама распознает тип подключаемого датчика. Устройство содержит пульт с клавиатурой для ввода информации и подключаемый монитор для вывода результатов исследований.

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения геометрических размеров объектов.

Полезная модель относится к области автоматизации процесса измерения физических величии (силы тока, напряжения, электрического сопротивления) вольтметром В7-40/2

Технический результат повышение вероятности обнаружения малоразмерных целей
Наверх