ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТР

Полезная модель относится к спектрометрии интерферометрической и может быть использована в приборах для метеорологического и экологического мониторинга Земли из космоса. В частности, полезная модель может быть реализована в бортовом фурье-спектрометре, предназначенном для измерения из космоса спектров излучения/отражения системы "атмосфера-поверхность" Земли и получения с их помощью вертикальных профилей температуры и влажности, а также содержания малых газовых составляющих атмосферы.
Оптические методы и средства дистанционного определения малых газовых составляющих в атмосфере развиваются уже несколько десятилетий. В технических решениях по патентам США №3766380 и №3925666 содержание малых загрязняющих атмосферу компонентов определяется по ослаблению лазерного луча. В усовершенствованных технических решениях по патентам США №4490043 и №4529317 используются два лазера с разной длиной волны излучения, что повышает точность измерений.
Обзор получивших развитие в США в конце 80-х, начале 90-х годов методов дистанционного зондирования атмосферы, в том числе с использованием фурье-спектрометров, дан в [1, 2]. Система с фурье-спектрометром транспортировалась в автофургоне. Для настройки системы перед измерениями требовалось 2-3 часа.
Референтный канал - один из ключевых узлов фурье-спектрометра. Референтный канал используется для точной привязки временной шкалы интерферограммы, а затем точной привязки полученных после фурье-преобразований интерферограмм спектров излучения к длине волны излучения (волновому числу). От качества спектральной привязки зависят возможности отождествления на спектрах линий излучения (поглощения) различных веществ, а, следовательно, качество химического анализа
исследуемого объекта. Особенно это касается веществ, имеющих близко расположенные полосы (линии) излучения (поглощения).
В изобретении, защищенном патентом W09820299 в качестве источника излучения референтного канала используется гелий-неоновый лазер. Гелий-неоновый лазер обладает необходимой когерентностью и высокой стабильностью длины волны излучения. К недостаткам гелий-неонового лазера, прежде всего в плане его использования в бортовой аппаратуре, следует отнести: существенные габаритно-массовые параметры, значительное энергопотребление, недостаточно высокий ресурс (~1000 часов), высокое напряжение питания. При коммерческом применении следует обратить внимание на высокую стоимость гелий-неоновых лазеров.
Малыми габаритами, массой и приемлемой стоимостью обладают твердотельные полупроводниковые лазеры. В изобретении по патенту № US5267152 для неразрушающего (бесконтактного) измерения концентрации глюкозы крови в качестве источника излучения используется твердотельный полупроводниковый лазер. Недостатком таких устройств является недостаточные для "космического" использования ресурс и надежность. Другой недостаток - необходимость использовать в качестве источника излучения референтного канала инфракрасных фурье-спектрометров инфракрасные лазеры. Невидимое глазом инфракрасное излучение значительно затрудняет юстировку и регулировку аппаратуры.
При проведении с помощью фурье-спектрометров абсолютных радиометрических измерений, а именно такие измерения требуются для дистанционного зондирования полей температуры, влажности и концентраций основных малых газовых составляющих в атмосфере, возникает ряд серьезных проблем, связанных с обеспечением требуемой радиометрической точности. Абсолютные радиометрические измерения требуют постоянной калибровки аппаратуры, для того чтобы учесть изменение характеристик фотоприемного узла, оптических элементов и т.д.
Для проверки стабильности фотоэлектронного тракта аппаратуры обычно используют внешний источник стабильного излучения. В изобретении (патент РФ №RU92005066) решена проблема согласования мощности источника и чувствительности фотоприемника. Анализатор спектра (патент РФ №RU92005066) относится к технической физике, в частности к спектральным приборам с фотоэлектрической регистрацией излучения, и может быть использован для спектрального анализа различных материалов. Изобретение обеспечивает сокращение продолжительности режимов фотоконтроля, создание номинальных режимов работы фотоприемников во всех режимах работы
анализатора, а также компенсацию погрешности, обусловленной нестабильностью характеристик фотоприемников. Анализатор содержит полихроматор, фотоприемник, интеграторы, узлы умножения, регистратор, источник стабильного излучения, шторку, узел управления шторками, световод, коммутатор импульсов, узел синхронизации и блоки вычисления поправки.
Описанное в патенте РФ №RU92005066 не применимо для инфракрасной аппаратуры, т.к. не учитывает вклад собственного излучения прибора.
Часть оптических элементов фурье-спектрометров (светоделитель, объектив и др.), предназначенных для работы в наиболее информативной для метеорологических и экологических целей области спектра 5-15 мкм, изготавливаются из материалов, на характеристики которых пагубно влияет влажность окружающей среды. Обычно узел интерферометра стараются герметизировать, а для поглощения влаги рядом со светоделителем помещают силикагель - хороший поглотитель влаги. Однако это не всегда возможно и эффективно.
В техническом решении (патент США № US 2004056198) для удаления влаги из внутренней полости прибора используется Пелтье-холодильник, холодный торец которого расположен во внутренней полости прибора, а горячий торец - снаружи. Холодильник окружен абсорбером влаги, который осуществляет транспортировку влаги, сконденсированной на холодной поверхности, во внешнюю среду.
Метод и устройство для дистанционного определения малых газовых составляющих в атмосфере, которые в основных своих чертах используются и сейчас, были сформулированы в техническом решении по патенту ЕР 0287929. Согласно патенту ЕР 0287929, способ заключается в сборе излучения из рассматриваемой области, получении спектрального состава излучения, определении по характерным линиям излучения (поглощения) наличия в рассматриваемой области газообразных компонентов и представлении полученной информации в форме, удобной для восприятия. Устройство состоит из собирающего зеркала, защитного окна, оптической системы, интерферометра, охлаждаемого инфракрасного датчика с предусилителем, устройства сбора и обработки данных. Интерферометр содержит светоделитель, который делит измерительный поток на два потока, два отражателя, один из которых приводится в движение механизмом, поворотное зеркало и референтный канал, содержащий лазер, луч которого проходит тот же путь, что и разделенные инфракрасные потоки, и датчик лазерного излучения с предусилителем.
Такое устройство не может применяться в бортовой космической аппаратуре из-за недостаточного ресурса и неприемлемого увеличения габаритно-массовых параметров для обеспечения герметичности в космосе.
Все перечисленные выше технические решения не могут в прямом виде использоваться в бортовой космической аппаратуре, которая при минимальных габаритах и массе должна обладать высокой надежностью, ресурсом не менее 5-7 лет, сохранять свою работоспособность и радиометрические характеристики после значительных механических (вибрационные, ударные, статические) перегрузок на этапе выведения космического аппарата.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является разработка малогабаритного бортового фурье-спектрометра с ограниченным энергопотреблением, который после воздействия на него значительных механических (вибрационные, ударные, статические) перегрузок на этапе выведения космического аппарата обеспечит высокие радиационные характеристики при длительном (не менее 5-7 лет) ресурсе работы.
Другой технической задачей является упрощение процесса и сокращение времени проведения оптической юстировки интерферометра.
Кроме того, технической задачей является защита оптических элементов фурье-спектрометра (светоделитель, объектив и др.) от влаги окружающей среды при работе с прибором в наземных условиях (хранение, транспортировка, испытания и т.д.).
Технический результат достигается тем, что фурье-спектрометр, содержащий собирающее зеркало, защитное окно, охлаждаемый инфракрасный датчик с предусилителем, устройство сбора и обработки данных и интерферометр, содержащий светоделитель, два отражателя, поворотное зеркало, собирающую оптику и референтный канал, состоящий из лазерного источника и приемника излучения, дополнительно включает эталонный источник излучения, выполненный в виде плоской модели черного тела и содержащий тепловой аккумулятор, плоский нагреватель, систему терморегулирования и излучающую шайбу, собирающее зеркало выполнено сканирующим, охлаждение инфракрасного датчика осуществляется с помощью радиационного холодильника, интерферометр дополнительно содержит коромысло, на котором расположены уголковые отражатели, арретир, включающий электродвигатель с редуктором и U-образным захватом, клапан многократного действия, срабатывающий при уменьшении давления окружающей среды, а источник излучения референтного канала интерферометра выполнен в виде разветвленного световода, выходной торец которого установлен перед
светоделителем, а перед входными торцами установлены основной инфракрасный твердотельный лазер, по крайней мере, один резервный инфракрасный твердотельный лазер и твердотельный лазер видимого излучения. Плоский нагреватель модели черного тела выполнен в виде дорожки проводящего материала, нанесенного на теплопроводящую электроизолирующую подложку, изолированную сверху теплопроводящим электроизоляционным материалом, причем ширина дорожки b относится к расстоянию между дорожками f как b/f=0,7÷1,5.
Полезная модель поясняется следующими чертежами:
На Фиг.1 представлена блок-схема фурье-спектрометра.
На Фиг.2 приведена конструкция эталонного источника излучения.
На Фиг.3 изображен плоский нагреватель эталонного источника излучения.
На Фиг.4 представлена конструкции арретира.
На Фиг.5 изображен клапан многократного действия.
Фурье-спектрометр (Фиг.1) состоит из собирающего сканирующего зеркала (1), защитного окна (2), охлаждаемого инфракрасного датчика с предусилителем (3), устройства сбора и обработки данных (4) и интерферометра (5). Интерферометр содержит светоделитель (6), два отражателя (7) и (8), поворотное зеркало (9), собирающую оптику (10) и референтный канал. Референтный канал состоит из лазерного источника и приемника излучения (11). Источник излучения референтного канала интерферометра выполнен в виде разветвленного световода (12), выходной торец которого установлен перед светоделителем (6), а перед входными торцами установлены основной инфракрасный твердотельный лазер (13), по крайней мере, один резервный инфракрасный твердотельный лазер (14) и твердотельный лазер видимого излучения (15). Уголковые отражатели (7) и (8) расположены на общем коромысле (16). Охлаждение инфракрасного датчика (3) осуществляется с помощью радиационного холодильника (17). В спектрометр включен эталонный источник излучения (18), арретир (19) и клапан многократного действия (20), срабатывающий при уменьшении давления окружающей среды.
Эталонный источник излучения (18) представлен на Фиг.2. Он выполнен в виде плоской модели черного тела и содержит тепловой аккумулятор (21), установленный на плоский нагреватель (22), систему терморегулирования (23) и излучающую шайбу (24), выполненную в виде набора колец с острыми наружными кромками. Массивный
тепловой аккумулятор обеспечивает равномерность распределения температуры по излучающей поверхности черного тела.
Плоский нагреватель (Фиг.3) представляет собой полученную методом травления плоскую дорожку проводящего материала, нанесенного на теплопроводящую электроизолирующую подложку, изолированную сверху теплопроводящим электроизоляционный материалом. Для обеспечения равномерного нагрева по площади ширина дорожки b относится к расстоянию между дорожками f, как b/f=0,7÷1,5.
Арретир (Фиг.4), включает электродвигатель (25) с редуктором (26) и U-образный захват (27).
Клапан многократного действия (Фиг.5), срабатывающий при уменьшении давления окружающей среды, состоит из корпуса (28), верхней (29) и нижней (30) крышек, уплотнений (31) и пружины (32). Клапан имеет также технологическую съемную крышку (33). Выпуск газа из интерферометра производится через отверстия (34).
Устройство работает следующим образом. С помощью входного собирающего зеркала 1 (Фиг.1), установленного в сканирующем устройстве, поток излучения из заданной точки пространства через входное защитное окно 2 интерферометра 5 направляется на светоделитель 6. Поток излучения расщепляется светоделителем на два потока, которые при перемещении уголковых отражателей (триппелей) 7, 8 через поворотное зеркало 9 с помощью собирающей оптики 10 проецируются на приемную поверхность инфракрасного датчика 3, где образуют интерференционную картину. Сигнал с датчика (интерферограмма) обрабатывается устройством сбора и обработки данных 4.
Монохроматическое излучение от источника референтного канала 13 (14) направляется на светоделитель 6, расщепляется на два луча и попадает на отражатели 7, 8, а затем, снова пройдя через светоделитель 6, проецируются на приемник излучения референтного канала 11. При перемещении отражателей 7, 8 сигнал с приемника излучения 11 референтного канала представляет собой синусоиду, частота которой зависит от скорости перемещения отражателей 7, 8. Референтный сигнал используется для регулирования и поддержания постоянной скорости качалки коромысла 16, на котором закреплены уголковые отражатели 7,8, и для управления системой оцифровки интерферограммы.
К источнику излучения референтного канала предъявляются очень жесткие требования. Один из важнейших параметров фурье-спектрометра - спектральное разрешение λ/Δλ (λ - длина волны излучения, Δλ - полуширина линии излучения). Оно зависит
2
от оптической разности хода прямого и переотраженного лучей. Оно тем больше, чем больше оптическая разность хода. Длина когерентности излучения референтного канала L=λ/Δλ должна быть существенно больше оптической разности хода. Газовые лазеры, например, гелий-неоновый имеют высокую длину когерентности, но из-за существенных габаритно-массовые параметров, значительного энергопотребления, недостаточно высокого ресурса (~1000 часов) и высокого напряжение питания не могут быть использованы в космических приборах. Твердотельные лазерные свето диоды, используемые, например, в лазерных указках, имеют неприемлемо высокую немонохроматичность (малую длину когерентности). Высокий ресурс работы (несколько тысяч часов), малые габариты и вес и достаточную длину когерентности имеют инфракрасные твердотельные лазеры.
Юстировка референтного канала заключается в сведении в одну точку (место расположения приемной площадки приемника излучения референтного канала) прямого и отраженного лучей и получении с фотодатчика референтного канала синусоидального сигнала достаточной для последующего использования величины. Т.к. инфракрасное излучение не воспринимается человеческим глазом, на время юстировки инфракрасный излучатель целесообразно заменить излучателем видимого диапазона. При этом замена излучателей не должна сказываться на качестве юстировки.
При юстировке включается твердотельный лазер видимого излучения 15. Основной 13 и резервный(ные) 14 инфракрасный твердотельный лазер отключены. Регулировкой положения светоделителя 6 относительно уголковых отражателей 7, 8 прямой и отраженный лучи лазера видимого излучения сводятся в одну точку. Проверяется вид и уровень сигнала приемника излучения 11 референтного канала. Юстировка закончена. Так как после юстировки положение выходного торца световода 12 по отношению приемника излучения 11 референтного канала не изменилось, прибор готов к дальнейшей работе, что можно проверить при включенном основном инфракрасном твердотельном лазере 13.
Для защиты фурье-спектрометра от значительных механических (вибрационные, ударные, статические) перегрузок на этапе выведения космического аппарата и при транспортировках в наземных условиях в интерферометре установлен арретир (Фиг.4), содержащий электродвигатель 25 с редуктором 26 и U-образный захват 27. При транспортировках в наземных условиях по команде с контрольно-испытательной аппаратуры, а на этапе выведения по команде с борта космического аппарата, включается двигатель арретира 25, который через редуктор 26 поднимает U-образный захват 27 и жестко
фиксирует массивную подвижную систему интерферометра, разгружая при этом подшипники. После окончания действия перегрузок двигатель 25 арретира опускает U-образный захват 27 и приводит прибор в рабочее состояние.
Часть оптических материалов, из которых изготавливаются оптические элементы фурье-спектрометра, в частности, светоделитель, деградируют под воздействием влажности окружающей среды.
Для устранения указанного недостатка в корпусе интерферометра установлен клапан многократного действия (Фиг.5), срабатывающий при уменьшении давления окружающей среды. В наземных условиях внутреннее пространство интерферометра заполнено сухим азотом под давлением на ~ 0,1 атм выше атмосферного. Азот не имеет полос поглощения в спектральном диапазоне работы фурье-спектрометра и предохраняет оптические элементы от контакта с атмосферной влагой. При выходе в космическое пространство при уменьшении давления окружающей среды на 0,1-0,2 атм, пружина клапана 32 (Фиг.5) сжимается, клапан открывается и азот удаляется через отверстия 34.
Для обеспечения радиометрической точности измерений в течение всего цикла работы фурье-спектрометра на орбите Земли периодически проводится калибровка прибора, при которой в качестве эталонных источников используется модель черного тела и "холодный" космос, на которые с помощью сканирующего зеркала направляется поле зрения прибора.
С помощью плоского нагревателя 22 (Фиг.2) и системы терморегулирования 23 температура модели черного тела поддерживается на уровне на 1-3°С, превышающем температуру окружающих элементов конструкции. Как показали тепловые расчеты и тепловакуумные испытания макетного образца бортового фурье-спектрометра, после выхода космического аппарата (КА) на стационарный тепловой режим температура в месте расположения модели черного тела в течение полного витка КА вокруг Земли изменяется не более чем на 1,5°С. В течение ~3 суток после выхода КА на орбиту Земли питание на нагреватель не подается, но при этом измеряется температура черного тела. После установления стационарного теплового режима прибора в системе терморегулирования задается температура черного тела, которая на 3°С превышает максимальную за виток температуру черного тела при выключенном нагревателе. Такой подход позволяет обеспечить высокое качество термостатирования при минимальных энергозатратах.
Модель черного тела теплоизолирована от окружающих элементов конструкции фурье-спектрометра с помощью теплоизолирующих проставок и экранно-вакуумной изоляции.
Использованные источники.
1. Herget et al. "Remote Fourier Transform Infrared Air Pollution Studies," Optical Engineering, Volume 19, No.4, pages 508-514 (July/August 1980).
2. Herget et al. "Remote and Cross-stack Measurement of Stack Gas Concentrations Using a Mobile FTIR- System" in Applied Optics, Vol. 21, No.4, pages 635-641 (February 15, 1982).