Способ и устройство для Фурье-анализа жидких светопропускающих сред
METHOD AND APPARATUS FOR FOURIER ANALYSIS OF LIQUID LIGHT-TRANSMITTING MEDIA

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к технике оптического контроля, основанной на получении спектра пространственных частот исследуемой среды с помощью оптического Фурье-анализа лазерного пучка, прошедшего эту среду, и могут быть использованы для контроля оптической однородности или идентификации жидких светопропускающих сред, как органических, так и неорганических, с использованием средств оптики и автоматизации.
Предлагаемые способ и устройство предназначены для контроля или идентификации как прозрачных жидких сред, в которых присутствуют конгломераты, нарушающие оптическую однородность среды, так и мутных сред, в которых световой пучок претерпевает многократное рассеяние.
Предлагаемое изобретение может найти применение в пищевой промышленности, при производстве и контроле горюче-смазочных материалов, при производстве лекарственных средств, на предприятиях водоочистки и т.д.
Уровень техники
В настоящее время для контроля или идентификации различных объектов (твердых и жидких образцов биологических объектов, лекарств, косметики, продуктов питания и т.д.) широко применяются оптические и спектральные методы.
Известен способ и устройство, предназначенное для измерения спектров поглощения образцов веществ, основанные на принципе Фурье-спектрометрии. Одним из них является ИК Фурье-спектрометр ИнфраЛЮМ ФТ (http://www.fizlabpribor.ru/a_d_pribor/IFL_02.htm).
Принцип действия аппарата основан на спектроскопии поглощения в средней инфракрасной области.
Спектрометр включает в себя следующие узлы: источник широкополосного инфракрасного излучения, интерферометр Майкельсона на сферических зеркалах, кювету для исследуемого вещества, фотоприемник, ЭВМ. Спектры поглощения исследуемого объекта получают в две стадии. На первой стадии регистрируют интерферограммы объекта, на второй - проводят математическую обработку этих интерферограмм, в результате чего восстанавливают спектр поглощения исследуемой среды. Для получения интерферограмм используют интерферометр Майкельсона.
В рассматриваемом способе и устройстве реализуется Фурье-спектрометрический способ получения спектров поглощения исследуемой среды. При этом преобразование Фурье выполняется численным методом на ЭВМ. Быстродействие устройства ограничивается скоростью работы программы и составляет, в среднем, 60 секунд на спектр.
Оптическое Фурье-преобразование в этом способе не используется. В отличие от него, в предлагаемом способе преобразование Фурье осуществляется оптическим путем с помощью линзы, т.е. мгновенно, а получение конечных результатов обработки зависит только от мощности ЭВМ и может составлять доли секунды.
Известен «Способ измерения размеров частиц в жидкости и устройство для его осуществления» (Патент RU №2351912,20.11.2007).
Изобретение относится к процессам измерения и контроля размеров частиц в микро- и наноэмульсиях, коллоидных растворах и взвесях частиц в жидкостях и газах. Сущность изобретения состоит в проведении измерений с помощью световодного щупа, вводимого в исследуемую среду и состоящего из нескольких многомодовых или одномодовых световодов. По одному из них в среду подается свет, другие передают рассеянный свет к устройству, обеспечивающему его пространственную когерентность и далее - к фотодетектору. Вспомогательные световоды служат для определения соотношения между ширинами спектральных линий многократного и однократного рассеяния света в случае измерений в очень мутных средах и для определения размеров частиц по спектру многократного, а не однократного рассеяния. Изобретение не требует помещения образца взвеси в оптическую кювету, а также обеспечивает повышенную устойчивость к помехам, возникающим из-за наличия пыли в образце.
Рассматриваемый способ измерения размеров частиц основан на эффекте рассеяния света в мутной среде. В отличие от предлагаемого способа оптическое Фурье-преобразование и анализ спектра пространственных частот в этом способе не применяется.
Известен «Способ определения концентрации механических загрязнений в жидких и газообразных средах и устройство для его реализации» (Патент RU №2328723, 15.05.2007).
Изобретение относится к автоматическим средствам контроля жидких и газообразных сред на содержание механических примесей. Способ заключается в преобразовании аналоговых сигналов от частиц загрязнений в прямоугольные импульсы постоянной амплитуды и определении длительности импульсов от частиц загрязнений, и длительности пауз между прохождением частиц.
Разделяют последовательность прямоугольных импульсов от частиц и длительности пауз между прохождением частиц на два канала, в одном из которых только импульсы от частиц, а в другом только паузы. Преобразуют длительности импульсов от частиц и длительности импульсов пауз в напряжения, поступающие в микроконтроллер, осуществляющий определение отношения величин напряжений, которым присваивают индекс загрязненности, отображающийся индикатором. Микроконтроллер автоматически определяет канал обработки сигналов в зависимости от концентрации. Амплитуду импульсов выбирают соответствующей амплитуде от частицы размером 5 мкм.
Устройство содержит последовательно соединенные фотоприемник, усилитель, пороговое устройство, формирователь импульсов, двухканальный интегратор, а также индикатор и микроконтроллер. Техническим результатом изобретения является повышение надежности измерений и упрощение устройства.
Рассматриваемый способ базируется на эффекте рассеяния света на частицах непрозрачных примесей в жидкости. В отличие от предлагаемого способа оптическое Фурье-преобразование и анализ спектра пространственных частот в этом способе не используется.
Известен способ, который реализуется в патенте «Улучшенное устройство обнаружения» (Патент RU №2375699, 17.02.2005).
Изобретение относится к оптическому устройству для визуального обнаружения коллоидных частиц в пробах жидкости, которые без указанного устройства не видны глазом. Оптическое устройство для визуального обнаружения коллоидных частиц в неподвижных пробах жидкости содержит корпус, средство для размещения прозрачного контейнера, содержащего пробу жидкости, средство для направления пучка света от источника света через пробу жидкости в контейнере и источник света, генерирующий пучок света. Причем интенсивность пучка света такова, что разница в освещенности между местом обнаружения и окружающим пространством составляет, по крайней мере, 5000 люкс. Предпочтительно устройство снабжено средством для наблюдения света, который выходит из контейнера в месте обнаружения, указанное средство может быть камерой, снабженной увеличительной линзой.
Техническим результат - упрощение устройства, создание оптического устройства для визуального обнаружения коллоидных частиц, которое позволяет получить различия в освещенности различных мест, показывает наличие коллоидных частиц, размер которых составляет 0,2 мкм или больше, а также которое может быть использовано для обеспечения быстрой проверки контроля качества непрерывно поступающих проб воды, очищенной в системах очистки воды.
В рассматриваемом способе используется интенсивный источник света и оптическая система для формирования светового пучка, который направляется на пробу жидкости. Цель изобретения - визуальная оценка качества очистки жидкости в системах очистки. Для количественной оценки этот способ не предназначен.
В отличие от предлагаемого способа оптического Фурье-преобразования и анализа спектра пространственных частот в этом способе нет.
Известен способ, используемый в лазерном анализаторе размеров частиц Микросайзер 201, который предназначен для гранулометрического анализа порошковых материалов, суспензий и эмульсий (http://granat-e.ru/microsizer-201.html).
В этом анализаторе излучение He-Ne лазера с помощью длиннофокусной линзы фокусируется в плоскость детектора. Сходящийся пучок лучей пропускается через плоскопараллельную кювету с образцом, расположенную на некотором расстоянии от детектора. При наличии в кювете суспензии частиц наблюдается рассеяние света.
Индикатриса рассеяния определяется размером частиц. Регистрация рассеянного излучения осуществляется с помощью специализированной фотодиодной матрицы, содержащей 74 сегмента, которая обеспечивает одновременное измерение интенсивности рассеянного излучения при 38 значениях углов рассеяния, а также определение положения и интенсивности центрального пучка.
Сигналы с фотодиодной матрицы усиливаются с помощью многоканального усилителя, через аналоговый коммутатор подаются на вход аналого-цифрового преобразователя и преобразуются в цифровой код, который через соответствующий интерфейс передается в компьютер.
Диапазон определяемых размеров частиц составляет 0.2…600 мкм.
В данном способе измерения размеров микрочастиц используется дифракция лазерного излучения на частицах, которые создают малоугловое светорассеяние. Для дальнейшего расчета размеров частиц используется теория Ми.
Оптическое Фурье-преобразование в этих способе и устройстве не применяется, в отличие от предлагаемого способа.
Известна автоматизированная система дискретизации дифракционных картин, разработанная фирмой General Motors (США) [Лэндрис Д., Стенли Г. Метод дискретизации дифракционных картин для распознавания образов // ТИИЭР. Т. 58. №2. 1970. С. 22-40].
Система содержит следующие узлы: лазер, диск с нейтральными светофильтрами для регулировки интенсивности светового луча, оптическую систему расширения и коллимации луча, диск с отверстиями для изменения апертуры сканирования, держатель фотопленки, дискретно перемещающийся по ортогональным осям, призму Дове для поворота дифракционной картины, объектив Фурье-преобразования, маску для выбора дискретизирующих окон, пластину с дискретизируюшими окнами, собирающую линзу, фотодетектор, канал наблюдения, фотоаппарат и проекционные экраны.
К недостаткам этой системы следует отнести низкую скорость дешифрирования образцов (время дешифрирования одного образца составляет несколько часов). Кроме того, в рассматриваемой системе для анализа используются только фотоснимки - транспаранты в виде плоской фотографической пленки. Д ля контроля жидких сред эта система непригодна.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является устройство обработки аэрокосмических снимков (пат. СССР №3654849/24-09. Н04. - 1986).
Устройство содержит лазер, строчный дефлектор и оптически связанные и последовательно расположенные кадровый дефлектор и анализирующий объектив, фотоприемник, выход которого соединен с формирующим усилителем, первый выход которого является выходом устройства, а второй выход соединен со входом видеоконтрольного блока, при этом входы строчного и кадрового дефлекторов, а также входы синхронизации формирующего усилителя и видеоконтрольного блока соединены соответственно со строчным и кадровым выходами синхрогенератора, отличающееся тем, что с целью уменьшения времени обработки и повышения достоверности при преобразовании структурных характеристик изображения в градационные, в него введены блок сменных апертурных диафрагм с блоком управления, блок сменных масок с блоком управления, фокусирующий объектив и объектив переноса, при этом между лазером и строчным дефлектором последовательно расположены блок сменных апертурных диафрагм и фокусирующий объектив, между строчным и кадровым дефлекторами установлен объектив переноса, а между анализирующим объективом и фотоприемником расположен блок сменных масок, при этом зеркала строчного и кадрового дефлекторов установлены на двойных фокусных расстояниях по обе стороны объектива переноса.
Это устройство позволяет преобразовать аэрокосмический снимок в его Фурье-образ, выделить из этого Фурье-образа определенные пространственные частоты, и затем визуализировать на экране монитора, изображение, соответствующие этим пространственным частотам.
Устройство рассчитано на обработку только аэрокосмических снимков и не может быть использовано для анализа светопропускающих жидких сред в отличие от предлагаемого способа.
Задача изобретения заключается в создании способа контроля или идентификации жидких светопропускающих сред, обладающего высокой точностью, достоверностью, чувствительностью и скоростью получения данных анализа, а также устройства для реализации этого способа.
Техническим результатом изобретения является повышение точности, достоверности, чувствительности и скорости получения данных анализа.
Раскрытие сущности изобретения как способа
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что способ Фурье-анализа жидких светопропускающих сред для контроля оптической однородности или идентификации жидкой светопропускающей среды, использующий угловое светорассеяние прошедшего через среду лазерного излучения путем формирования двумерного Фурье-спектра пространственных частот распределения неоднородностей жидкой среды, характеризующийся тем, что из полученного двумерного Фурье-спектра с помощью селектора пространственных частот выделяют отдельные пространственные частоты, получают спектральный портрет исследуемой жидкой среды, сравнивают его со спектральным портретом эталонной среды, и по результатам этого сравнения определяют пригодность исследуемой среды для дальнейшего использования, либо формируют сигналы для управления процессом очистки среды, причем формирование спектрального портрета осуществляют в реальном времени, что позволяет использовать этот способ для автоматического управления технологическим процессом.
В предлагаемом способе, в отличие от прототипа, с целью максимального его упрощения, исключены оптическая развертка, блоки управления и синхронизации и видеоконтрольный блок, введен блок обработки сигнала, а результат сравнения спектрального портрета исследуемой среды и эталона выводится на монитор ЭВМ или преобразуется в сигналы управления технологическим процессом.
Сущность изобретения заключается в том, что для контроля или идентификации исследуемой среды используют ее спектральный портрет, состоящий из набора пространственных частот, которые выделяют из Фурье-образа, который формируется в результате оптического двумерного Фурье-преобразования лазерного пучка, прошедшего через среду.
Далее этот спектральный портрет сравнивают с аналогичным портретом эталона. Наличие и величина различий позволяют оценивать соответствие анализируемой среды эталону.
Операция двумерного Фурье-преобразования осуществляется в оптической системе за время, равное времени распространения света в системе, то есть практически мгновенно. Поэтому предлагаемый способ может быть использован для контроля жидких сред в реальном масштабе времени.
Метод позволяет определять наличие как непрозрачных, так и прозрачных микровключений в контролируемой среде, при условии, что прозрачные микровключения имеют иной показатель преломления, чем окружающая среда.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения как способа поясняется следующими фигурами:
Фиг. 1. Принцип получения спектрального портрета.
Фиг. 2. Спектральный портрет.
Фиг. 3. Схема способа.
Фиг. 4. Кольцевой п/п фотоприемник.
Осуществление изобретения как способа
Предлагаемый способ предусматривает оценку интенсивности пространственных частот, выделенных из полного спектра пространственных частот, полученного в результате Фурье-преобразования оптического излучения, пропущенного объектом исследования [Дроханов А.Н. Автоматизированный контроль качества жидких пищевых сред на основе лазерной Фурье-спектроскопии. Автореферат дисс. канд. техн. наук. - М., 2005. - 26 с.].
v
1
2
i
1
i
i
Способ в общем виде поясняется на Фиг. 1, где условно показан спектр S пространственных частот, из которого вырезают узкие интервалы пространственных частот Δv, Δv,…, Δv,…, Δv и измеряют на этих частотах энергии (интенсивности) Q(Δv) (i=1, 2, …, I). В результате таких измерений получают сигнал U(Δv).
Затем этот сигнал нормируют, находя отношения значений его отсчетов к их сумме
и получают пространственный спектр X, который формирует множество - спектральный портрет среды (Фиг. 2).
Как известно, операция двумерного преобразования Фурье в когерентной оптике выполняется с помощью обычной сферической линзы. Если перед линзой установить светопропускающий объект - транспарант (фотопластинку с изображением, кювету с исследуемой средой и т.д.) и освещать этот транспарант плоской монохроматической волной, то распределение интенсивности в дифракционной картине, образованной этим объектом за линзой, будет представлять собой спектральное распределение вариаций интенсивности света в зависимости от координат микровключений в объекте [Пергамент М.И. Методы исследований в экспериментальной физике. - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект». - 2010. - С. 304; Гудмен Дж. Введение В Фурье-оптику. - М.: Мир, 1970. 286 с; Старк Г. (ред.). Применение методов Фурье-оптики. / Пер. с английского под редакцией И.Н. Компанца. - М.: «Радио и связь». - 1988. - 535 с.].
Жидкую среду, которая содержится в прозрачной кювете или протекает через прозрачный трубопровод (в условиях непрерывного производства), можно рассматривать как информационный транспарант, в котором отражены яркостная, спектральная и структурная характеристики исследуемого объекта.
При освещении транспаранта световой волной за его плоскостью создается, по принципу Гюйгенса, суперпозиция световых волн, промодулированных по амплитуде и фазе информацией S(x,y), содержащейся в транспаранте. Происходит дифракция световой волны на структурных элементах транспаранта, при этом распределение амплитуд и фаз по углам дифракции пропорциональны в дальней зоне (дифракция Фраунгофера) спектру пространственных частот комплексной функции распределения амплитуд и фаз в плоскости транспаранта.
Спектр пространственных частот  или спектр Фурье, описывается Фурье-преобразованием функции S независимых переменных (х, у) и определяется выражением:
x
y
Преобразование такого вида представляет собой функцию двух независимых переменных ƒ, ƒ, которые называют пространственными частотами.
Линза осуществляет преобразование Фурье и в ее частотной плоскости, которая совпадает с ее фокальной плоскостью, формируется Фурье-образ  в котором содержится весь спектр пространственных частот, содержащихся в исходном транспаранте.
Выражение (1) справедливо в предположении, что оптическая система является линейной, пространственно инвариантной и работает в параксиальной области. Результирующая точность преобразования Фурье зависит от строгости выполнения принятых допущений и составляет несколько процентов при использовании обычной оптики.
Необходимо отметить, что выражение (1) строго выполняется только при Фурье-преобразовании когерентного светового пучка, прошедшего тонкий плоский транспарант, например, фотопленку.
В случае жидких светопропускающих сред, налитых в кювету, имеет место многократное рассеяние света в толще среды. Математический анализ такого случая представляет значительные трудности. Предлагаемый способ позволяет обойти эти трудности.
Очевидно, что при реализации предложенного способа необходимо стандартизировать габариты кюветы.
1
2
3
3
x
y
Предложенный способ поясняется на Фиг. 3, где показаны оптический квантовый генератор (ОКГ), фокусирующий объектив О коллимирующий объектив O и объектив Фурье-преобразования О, кювета К с жидкой средой (исходная информация  (х, у)), селектор пространственных частот (СПЧ), светочувствительная поверхность которого совпадает с фокальной (частотной) плоскостью объектива О на которой формируется Фурье-образ (ƒ,ƒ). На Фиг. 3 показаны меридиональное сечение и фронтальный вид этого образа.
1
2
3
3
В предлагаемом способе лазерный пучок, генерируемый ОКГ (Фиг. 3), проходит коллиматор, состоящий из объективов O и О, на выходе которого формируется световой пучок с плоским волновым фронтом. Далее пучок проходит кювету К с жидкой средой. На примесях и микровключениях в этой среде происходит дифракция пучка. Дифрагированный свет проходит объектив Фурье-преобразования О, в фокальной плоскости которого создается Фурье-образ. С помощью селектора пространственных частот (СПЧ), установленного в фокальной плоскости объектива О, из Фурье-образа выделяют пространственные частоты, образующие спектральный портрет среды.
i
Селектор пространственных частот СПЧ (пространственный фильтр), состоит из полупроводниковых концентрических светочувствительных колец разного радиуса r (Фиг. 4). Каждое кольцо имеет отдельный электрический вывод, что позволяет считывать информацию с колец СПЧ одновременно.
3
Интенсивность световых пятен в задней фокальной плоскости объектива О будет пропорциональна амплитудной составляющей  пространственного спектра частот исходной функции S(x, у), а координаты этих пятен (ξ, η) будут зависеть от пространственных частот функции:
где λ - длина волны света;
3
F - фокусное расстояние объектива О;
x
y
ƒ, ƒ - пространственные частоты.
Зависимость между пространственной частотой и размером микропримеси в среде дается выражением:
где  - размер микрочастицы примеси.
Зависимость между пространственной частотой и радиусом кольца г определяется выражением:
Вблизи главной оптической оси на частотной плоскости Ψ (Фиг. 3), как это следует из вышеприведенных выражений, будут расположены световые пятна (сигналы), соответствующие низким пространственным частотам, т.е. ансамблям относительно больших частиц микровключений, а на удалении от оси - сигналы, соответствующие более высоким пространственным частотам, т.е. ансамблям частиц меньшего размера, причем это расстояние тем больше, чем меньше размеры частиц.
При этом на выходе фотоприемника СПЧ будет формироваться дискретный набор сигналов, содержащих данные о пространственных частотах, соответствующих размеру примесей с шагом, определяемым радиусом колец фотоприемника.
Сигналы с выхода фотоприемника СПЧ (Фиг. 3) поступают на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП (не показано) и далее в ЭВМ (не показано).
Конструкция СПЧ в виде концентрических колец позволяет практически полностью устранить негативное влияние спекл-шумов на полезный сигнал, поскольку он интегрируется по площади кольца.
Фотоприемник с кольцевым пространственным фильтром может быть заменен ПЗС-линейкой, расположенной по одной из осей на Фурье-плоскости. При этом на выходе ПЗС-линейки будет сформировано сечение пространственного спектра частот вдоль выбранной оси.
В качестве фотоприемника может быть также использована ПЗС-матрица.
При исследовании сред, параметры которых мало изменяются за время измерения, можно применить один фотоприемник, фоточувствительная зона которого перекрывает всю область интересующих пространственных частот, например фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с фотокатодом большого диаметра, или микроканальный ФЭУ, перед которыми устанавливают селектор пространственных частот в виде прозрачных колец разного радиуса.
В качестве такого селектора также может быть использована электрически управляемая жидкокристаллическая матрица с требуемой конфигурацией электродов, меняющих ее прозрачность при подаче на них управляющих сигналов.
Алгоритм обработки полученных данных на ЭВМ может состоять в сравнении спектральных портретов исследуемых сред и эталонных сред, а результаты сравнения могут быть представлены в виде таблиц, диаграмм, графиков, гистограмм или различных мер сходства.
Для реализации рассмотренного способа предлагается устройство Фурье-анализатора жидких светопропускающих сред.
Раскрытие изобретения как устройства
Задача изобретения решается, а технический результат достигается также тем, что устройство для Фурье-анализа жидкой светопропускающей среды, которое содержит последовательно расположенные по ходу светового пучка и оптически связанные оптический квантовый генератор, оптико-механический модулятор, поляризатор, коллиматор, анализатор, фокусирующий объектив, оптический пространственный фильтр, коллимирующий объектив, кювету с жидкой средой, преобразующий объектив, фотоэлектронный умножитель, аналого-цифровой преобразователь, персональную ЭВМ, программное обеспечение, монитор и принтер, характеризующийся тем, что в фокальной плоскости преобразующего объектива перед ФЭУ установлен селектор пространственных частот, выполненный в виде прозрачных кольцевых масок разного радиуса, с выхода ФЭУ сигнал поступает на вход электронного блока обработки сигнала, который предназначен для выделения первой гармоники частоты модуляции лазерного пучка оптико-механическим модулятором и ее преобразования в сигнал постоянного уровня, который далее подается на вход АЦП, а выход АЦП подключен к ЭВМ. Селектор пространственных частот устройства для Фурье-анализа жидкой светопропускающей среды может быть выполнен в виде ирисовой диафрагмы с регулируемой апертурой.
Предлагаемое устройство для Фурье-анализатора жидких светопропускающих сред предназначено для реализации способа контроля оптической однородности или идентификации жидких светопропускающих сред, основанного на Фурье - анализе оптического сигнала, прошедшего через объем жидкой среды, что позволяет получить ее спектральный портрет, который затем сравнивают с аналогичным портретом эталонной среды.
Устройство определяет наличие как не прозрачных, так и прозрачных неоднородностей и микровключений в жидкости, при условии, что прозрачные неоднородности имеют иной показатель преломления, чем окружающая среда. Новизной обладает не только предлагаемое устройство и введение и размещение новых элементов, но также новое оптическое и информационное согласование всех элементов устройства между собой.
Указанные признаки необходимы для достижения целей, поставленных при рассмотрении заявленного способа, достижения оперативности и надежности работы устройства и достоверности контроля исследуемых сред.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения как устройства поясняется следующими фигурами:
Фиг. 5. Блок-схема Фурье-анализатора.
Фиг. 6. Оптическая схема.
Фиг. 7. Оптико-механический модулятор.
Фиг. 8. Узел оптического Фурье-преобразования.
Фиг. 9. Сменные маски и ФЭУ.
Фиг. 10. Фотоприемник с ирисовой диафрагмой.
Фиг. 11. Сигнал на выходе ФЭУ.
Фиг. 12. Функциональная схема узла ФЭУ.
Фиг. 13. Функциональная схема блока обработки сигналов.
Фиг.14. Работа интегрирующего каскада.
Фиг. 15. Частотная х-ка полосового фильтра.
Фиг. 16. Передаточная х-ка БОС.
Фиг. 17. Осциллограммы сигналов в контрольных точках блока БОС.
Фиг.18. Интерфейс программы ввода данных.
Фиг. 19. Интерфейс программы обработки данных.
Фиг. 20. Эксперимент с талой водой.
Фиг. 21. Серия последовательных измерений апельсинового сока.
Фиг. 22. Общий вид лабораторного макета Фурье-анализатора.
Осуществление изобретения как устройства
Сущность предлагаемого изобретения поясняется на Фиг. 5, где изображена блок-схема Фурье-анализатора. Она содержит расположенные последовательно оптический квантовый генератор (ОКГ), оптико-механический модулятор (ОММ), узел оптики (УО), селектор пространственных частот (СПЧ), фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), электронный блок обработки сигнала (БОС), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), персональную ЭВМ, программное обеспечение (ПО), монитор и принтер.
Оптическая схема Фурье-анализатора показана на Фиг. 6. В её состав входят последовательно установленные лазер (ОКГ), оптико-механический модулятор (ОММ), узел оптики (УО), содержащий поляризатор (П), коллиматор, состоящий из двух объективов (Oik) и (Огк), анализатор (А), фокусирующий объектив (Oi), пространственный фильтр (ПФ), коллимирующий объектив (О2), кювета (К) и преобразующий объектив (Оз), далее селектор пространственных частот (СПЧ) и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).
Описание оптической схемы. В Фурье-анализаторе (Фиг. 6) использован непрерывный He-Ne ОКГ типа ЛГН-303, который излучает световой поток L с длиной волны λ=0,63 мкм и выходной мощностью 1 мВт. Диаметр пучка на выходе лазера составляет ~ 0,8 мм. Этот лазер характеризуется высокой стабильностью выходного излучения за счет управления геометрическими параметрами резонатора, однако световой пучок на его выходе не поляризован.
За лазером установлен оптико-механический модулятор (ОММ), который выполнен в виде диска с 4-мя прорезями, каждая из которых стягивает угол в 45° (Фиг. 7). Между прорезями угловое расстояние составляет также 45°. Диск приводится во вращение маломощным синхронным электродвигателем (3000 об/мин).
В результате вращения диска световой пучок периодически прерывается, обеспечивая его 100% амплитудную модуляцию. Частота прерываний составляет 200 Гц. Форма промодулированного сигнала - меандр.
Далее лазерный пучок проходит узел оптики (УО), который предназначен для регулировки интенсивности света, формирования плоского волнового фронта светового пучка, падающего на кювету с жидкой средой, Фурье-преобразования светового потока, прошедшего кювету, и формирования Фурье-образа в частотной плоскости, где установлен селектор пространственных частот (СПЧ).
Для регулировки интенсивности света в устройстве применена скрещенная пара поляризатор (П) - анализатор (А), которые выполнены на основе пленочных поляризационных фильтров (Фиг. 6). Поляризатор (П) линейно поляризует лазерный пучок. Анализатор (А) вращают вокруг оптической оси, что обеспечивает регулировку интенсивности света, чтобы избежать насыщения тока ФЭУ.
1
Коллиматор, установленный за поляризатором (П), расширяет лазерный пучок и уменьшает его угловую расходимость, что позволяет уменьшить диаметр светового пятна δ в фокусе фокусирующего объектива О (Фиг. 8).
1К
2К
1К
2К
1
2
Коллиматор состоит из двух объективов O и О. Задний фокус объектива O сопряжен с передним фокусом объектива О. Таким образом коллиматор является перевернутой телескопической системой. Известно (Дитчербн Р. Физическая оптика. - М.: Наука, 1965), что в телескопической системе угловая расходимость ϕ и ϕ входящего и выходящего световых пучков находятся в соотношении:
1К
1К
где F - задний фокус объектива O;
2К
2К.
F - передний фокус объектива O
Откуда
Коллиматор рассчитан таким образом, что диаметр светового пучка на его выходе в 5 раз больше диаметра светового пучка на входе. Соответственно, угловая расходимость пучка на выходе коллиматора во столько же раз меньше.
1
Такой прием позволяет получить в заднем фокусе фокусирующего объектива O световое пятно δ (кружок Эри) с диаметром в 5 раз меньшим, чем при непосредственной фокусировке выходящего из лазера светового пучка.
Диаметр этого пятна δ (Фиг. 8) можно найти из выражения (Дитчербн Р. Физическая оптика. М.: Наука. 1965):
2
1
где ϕ - угловая расходимость пучка лазера на входе объектива О равная угловой расходимости пучка на выходе коллиматора;
O1
1
F - фокусное расстояние объектива O.
1
2
2
3
x
y
Задний фокус объектива O сопряжен с передним фокусом коллимирующего объектива О. Коллимированный световой пучок, сформированный объективом О, проходит через кювету К с жидкой средой и попадает в объектив O, который осуществляет Фурье-преобразование информации S(x,y), содержащейся в жидкости и создает ее Фурье-образ (ƒ,ƒ) на частотной плоскости Ψ (Фиг. 8).
2
3
1
3
Одновременно сопряженная система объективов O и О переносит световое пятно δ из фокуса объектива O в фокальную плоскость объектива О, создавая там световое пятно δ' (Фиг. 8). Увеличение этой системы Y=1, поэтому можно записать (для идеального случая при отсутствии аберраций):
3
На месте пересечения оптической оси с плоскостью Ψ будет расположено яркое сфокусированное пятно, соответствующее максимуму нулевого порядка дифракционной картины, образованной линзой О. Это пятно не несет нужной информации.
Искомая информация заключена в спектральных составляющих первого порядка, за которые ответственны неоднородности в жидкости. Спектральные составляющие более высоких порядков, чем первый, малы и их можно не учитывать.
-8
-9
Расчеты (Руссо М., Матье Ж.П. Задачи по оптике. - М.: Мир. 1976. 414 с.) и эксперименты показывают, что интенсивность спектральных составляющих первых порядков и нулевого порядка в Фурье-образе соотносятся как 10 10.
Отсюда вытекает необходимость экранирования нулевого порядка получаемого спектра в частотной плоскости, иначе на выходе ФЭУ полезный сигнал будет невозможно обнаружить.
3
Очевидно, что чем меньше диаметр светового пятна δ' в фокусе линзы О, тем меньше требуемый размер экрана, перекрывающего нулевой порядок, и тем больше низких пространственных частот можно обнаружить в Фурье-образе.
-3
1
Расчеты показывают, что при угловой расходимости светового пучка на выходе коллиматора 10 рад и фокусном расстоянии объектива O=100 мм («Индустар-23У») получим:
2
O1
-3
δ'=δ=2ϕF=2 × 10 рад × 100 мм=0,2 мм
Откуда следует, что диаметр экрана, маскирующего нулевой порядок дифракционной картины в частотной плоскости Ψ (Фиг. 8), должен быть не менее 0,2 мм.
1
В фокальной плоскости объектива O (Фиг. 6) установлен пространственный фильтр (ПФ) - диафрагма небольшого диаметра (~0,3 мм). Этот фильтр отсекает паразитные блики, возникающие при прохождении лазерного пучка через объективы коллиматора, а также поверхности стекол поляризатора и анализатора.
3
В задней фокальной плоскости преобразующего объектива О установлен селектор пространственных частот (СПЧ), который выполнен в виде турели с кольцевыми масками (Фиг. 9). Смена масок производится поворотом турели. Маски выполнены в виде прозрачных для света узких колец различного диаметра.
Непосредственно за турелью расположен ФЭУ. В установке использован фотоэлектронный умножитель ФЭУ-14А с сурьмяно-цезиевым фотокатодом, диаметр которого равен 49 мм. В связи с этим наибольший диаметр прозрачного кольца в маске, использованной в блоке СПЧ, выбран в 47 мм. Наименьшая маска имеет диаметр прозрачного кольца 4 мм.
При установке перед ФЭУ каждой новой маски производится измерение одной из составляющих спектра. В результате на выходе устройства последовательно во времени формируются выборочные значения спектра пространственных частот. Использование такого фотоприемника оправдано при исследовании сред, параметры которых мало изменяются за время измерения. При этом в каждой кольцевой зоне производится интегрирование сигнала, что снижает требования к стабильности источника излучения и увеличивает отношение сигнал/шум.
Диапазон определяемых пространственных частот зависит от диаметров наименьшей и наибольшей масок. В предлагаемом устройстве он лежит в пределах ~6…80 (1/мм). Из этого диапазона маски вырезают 8 узких пространственных частот (по числу масок), причем каждой маске соответствует своя пространственная частота, зависящая от линейных размеров микрочастиц.
Рассчитанные по формулам (3, 4) значения пространственных частот и соответствующие им размеры микрочастиц приведены в таблице 1 (при F=480 мм, λ = 0,63 мкм).
В предлагаемом устройстве можно применить различные селекторы пространственных частот.
В качестве селектора может быть использован полупроводниковый фотоприемник с кольцевыми фоточувствительными элементами, каждый из которых имеет обособленный электрический выход.
При использовании такого секционированного фотоприемника весь спектр регистрируется одновременно, что увеличивает быстродействие устройства.
Фотоприемник может быть заменен ПЗС-линейкой, расположенной в частотной плоскости. При этом на выходе анализатора будет сформировано сечение пространственного спектра частот вдоль выбранной оси.
В качестве фотоприемника можно применить ПЗС-матрицу. Используя ПЗС-матрицу, можно оцифровать и записать в память ЭВМ распределение интенсивности света в Фурье-образе по концентрическим кольцам определенного радиуса, а затем выполнить статистическую обработку полученных данных, что повысит точность измерений.
Как известно, в любой оптической системе с лазером присутствуют спекл-шумы. Поскольку распределение спекл-шумов имеет случайный характер, а ПЗС-матрицы работают с накоплением заряда, то их применение позволит значительно уменьшить влияние этих шумов на полезный сигнал.
ФЭУ, которое использовано в предлагаемом устройстве, можно заменить микроканальным умножителем, перед которым может быть установлена ирисовая диафрагма (1) с апертурой большого диаметра (Фиг. 10).
Ирисовая диафрагма (1) (Фиг. 10) устанавливается вместо селектора пространственных частот, показанного на Фиг. 6. За ирисовой диафрагмой располагается микроканальный ФЭУ (2). Сигнал с его выхода подается на вход блока обработки сигнала (БОС). На оптической оси перед микроканальным ФЭУ установлен экран (3), который маскирует нулевой порядок дифракционной картины.
1
2
1
C1
2
C2
C
C1
C2
C
СР
Пусть полностью открытая ирисовая диафрагма имеет апертуру d, а немного прикрытая - апертуру d. Апертуре d будет соответствовать сигнал постоянного уровня на выходе блока БОС, равный (=U), а апертуре d - сигнал (=U). Определим ΔU=(=U) - (=U). Очевидно, что если изменение диаметра диафрагмы мало, то ΔU будет соответствовать средней пространственной частоте, определяемой величиной радиуса r. Не трудно подсчитать, что
Из формулы (4) можно найти:
где ƒ - пространственная частота;
СР
r - радиус апертуры ирисовой диафрагмы;
λ - длина волны излучения лазера;
F - фокусное расстояние преобразующего объектива.
Плавно изменяя программным путем апертуру ирисовой диафрагмы, можно построить гладкий график распределения пространственных частот по спектру исследуемой среды. Кроме того, при использовании такого фотоприемника можно плавно изменять набор пространственных частот, а также гибко регулировать ширину выбираемых зон.
C
Ш
ИМП
C
Ш
ИМП
Обработка сигнала. В предлагаемом устройстве (Фиг. 5) на выходе ФЭУ формируется сигнал  = (~U+U+U), который, кроме сигнала с полезной информацией ~ U, содержит сигнал шума U и сигнал импульсной помехи U.
Ш
Сигнал шума U можно разделить на три составляющих: шумы лазера, электромагнитные наводки и шумы оптической системы.
C
Для выделения полезной информации и фильтрации шумов сигнал  проходит через блок обработки сигнала (БОС), который отфильтровывает помехи. С выхода БОС снимается сигнал постоянного уровня =U, который подается на вход АЦП. Далее цифровые данные поступают в ЭВМ для архивации, статистической обработки и анализа, а результаты этой обработки используются для контроля или идентификации среды.
Известно, что в измерительных системах точность определяется уровнем шумов. Очевидно, что точность измерений будет повышаться по мере увеличения отношения уровня сигнала к уровню шума.
Шумы могут быть подразделены на три большие группы.
К первой группе относятся шумы, обусловленные конструкцией измерительного прибора. Устранение таких шумов связано с большими техническими трудностями и во многих случаях невозможно. В Фурье-анализаторе к ним относятся шумы, обусловленные аберрациями компонент оптического тракта.
Ко второй группе относятся источники шумов, которые вызываются физическими процессами, происходящими в ФЭУ и в элементах электронных схем [Грановский, 1936; Якушенков, 1971; Гартман и др., 1961; Хоровиц и др., 1984; Чечик и др., 1954].
К третьей группе шумов следует отнести шумы, создаваемые излучением лазера.
Шумы, обусловленные физическими процессами в элементах электронных схем, можно разделить на:
а) Дробовый шум.
Величина этого шума определяется из статистических соображений и выражается формулой Шоттки:
где е - заряд электрона;
0
I - среднее значение тока;
Δƒ - полоса рабочих частот.
H
На нагрузочном сопротивлении ФЭУ (R) этот флюктуирующий ток создаст напряжение, дисперсия которого равна:
б) Тепловой шум (шум Джонсона).
Причиной возникновения этого шума является тепловое движение электронов в проводниках. В результате на зажимах проводника возникает флюктуационная Э.Д.С., дисперсия которой в полосе частот определяется формулой Найквиста:
(6)
где Т - абсолютная температура;
k - постоянная Больцмана.
в) Токовый шум (1/f - шум).
Природа этого шума недостаточно исследована. У реальных резисторов возникают флюктуации сопротивления, порождающие дополнительное напряжение шума, пропорциональное протекающему через резистор току, которое складывается с постоянно присутствующим напряжением теплового шума. Предполагается, что составляющими 1/f - шума являются генерационно-рекомбинационный шум, модуляционный шум и контактный шум.
На практике для дисперсии токового шума принимают выражение:
Т
где А - численная постоянная, значение которой определяется опытным путем для каждого типа приемника,
г) Шум мерцания.
Шум мерцания обусловлен случайными изменениями эмиссии фотокатода ФЭУ. Установлено, что этот вид шума зависит от материала и свойств фоточувствительного слоя. Шум мерцания имеет заметную величину только при низких частотах модуляции, а с повышением частоты он падает. В связи с этим не рекомендуется работа в области частот, меньших 50 Гц.
Из выражений (5, 6, 7) следует необходимость снижения полосы рабочих частот Δƒ электрического тракта установки. Именно с этой целью в состав Фурье-анализатора включен оптико-механический модулятор, который осуществляет 100% амплитудную модуляцию светового пучка на частоте 200 Гц. Выбранная частота позволяет также исключить проблемы, связанные с шумом мерцания фотокатода ФЭУ.
Кроме того, в состав блок БОС устройства включен узкополосный фильтр, настроенный на частоту 200 Гц, что позволяет снизить полосу пропускаемых частот до нескольких Гц.
Итоговое выражение для оценки отношения сигнал/шум (χ) для ФЭУ определяется следующим выражением [Гартманн В., Бернгард Ф., 1961]:
где m - коэффициент модуляции светового потока;
0
I - фототок фотокатода;
Т
I - термоэлектронный ток фотокатода;
Δƒ- полоса частот всей измерительной системы;
2
2
а - коэффициент увеличения уровня шумов из-за статистического характера вторичной электронной эмиссии в ФЭУ (а≈1.33).
Анализ выражения (8) подтверждает правильность выбора для модуляции светового потока оптико-механического модулятора, который обеспечивает его надежную 100% модуляцию (m=1).
C
Ш
ИМП
C
Ш
ИМП
Блок обработки сигнала. На выходе ФЭУ формируется сигнал Ü=(~U+U+U), содержащий полезный сигнал ~ U, сигнал шума U и сигнал импульсной помехи U - Форма сигнала Ü условно показана на Фиг. 11. Этот сигнал представляет собой интеграл светового потока, прошедшего через «рабочую» маску, установленную перед ФЭУ.
C
Полезная информация содержится в размахе сигнала ~ U:
который меняется в зависимости от исследуемой среды и номера маски и может составлять 10 … 5000 мВ.
1
Уровень E постоянен, он соответствует закрытому состоянию ФЭУ, т.е. отсутствию света на его фотокатоде.
2
2
Уровень Е соответствует определенному световому потоку, падающему на фотокатод ФЭУ. Чем больше световой поток, тем уровень Е расположен ниже.
C
Как уже отмечалось выше, на полезный сигнал ~U наложены:
Ш
а) напряжения шумов U, которые возникают за счет:
1) высокочастотных флюктуаций излучения лазера;
2) когерентности излучения лазера (спекл-шумы);
3) шумов ФЭУ;
б) помехи в виде:
1) высокочастотных наводок;
ИМП
2) импульсных помех U;
1
в) медленные флюктуации уровня E за счет остаточной нестабильности Н/В БП ОУ, которые питают операционный усилитель (нагрузка ФЭУ);
2
г) медленные флюктуации уровня Е за счет нестабильности В/В БП ФЭУ;
д) шумы, обусловленные аберрациями оптической системы.
1
2
При разработке аппаратуры были приняты специальные меры для стабилизации высоковольтного блока питания ФЭУ и низковольтного блока питания каскада усиления на выходе ФЭУ, поэтому медленные флюктуации уровней E и Е малы и их можно не учитывать.
C
Ш
ИМП
Ошибки в результатах измерений размаха сигнала ~U в основном происходят из-за паразитных сигналов U и импульсных помех U.
Ш
ИМП
Эксперименты показали, что размах сигнала U ≈ 5 мВ, а его частотный диапазон лежит в области высоких частот (порядка 1 МГц). Размах импульсной помехи U достигает 10…30 мВ, однако ее появление происходит достаточно редко (1 событие за 5…10 с), а полоса частот лежит в основном в высокочастотной области спектра. Схемными решениями влияние этих помех было практически устранено.
Блок-схема узла ФЭУ приведена на Фиг. 12. Узел ФЭУ содержит фотоэлектронный умножитель ФЭУ-14А и малошумящий операционный усилитель (ОУ) типа 544УД2.
ВЫХ
BX
C
max
Коэффициент передачи ОУ равен 1. Зависимость U=f (U), снятая для ОУ, линейна вплоть до размаха сигнала на его входе U=13 В.
С выхода узла ФЭУ сигнал подается на вход блока обработки сигнала (БОС), блок-схема которого приведена на Фиг. 13.
Интегрирующий каскад (ИК) на входе блока обработки отфильтровывает дробовый шум ФЭУ. Действие фильтра иллюстрирует Фиг. 14. Перед ФЭУ была установлена маска №8 (кольцо наибольшего диаметра), выделяющая пространственную частоту ~ 78 опт.лин./мм.
На этой пространственной частоте световой поток мал, поэтому дробовый шум ФЭУ оказался сравним с полезным сигналом. После прохождения ИК полезный сигнал полностью очищается от высокочастотных шумов.
После ИК и разделительного каскада сигнал поступает на вход узкополосного полосового фильтра, выполненного по схеме Баттерворта [Хоровиц П., Хилл У., 1984], который настроен на частоту модуляции лазерного пучка 200 Гц. Фильтр выделяет из сигнала, поступившего на вход БОС, первую гармонику, которая затем подается на вход амплитудного детектора. Частотная характеристика полосового фильтра приведена на Фиг. 15. Полоса пропускаемых частот на уровне 0,5 составляет ~ 35 Гц.
C
В амплитудном детекторе сигнал выпрямляется, и далее выпрямленное напряжение проходит фильтр низкой частоты, с выхода которого снимается сигнал постоянного уровня =U.
C
C
Схема БОС настроена таким образом, что уровень выходного сигнала = U соответствует размаху сигнала ~ U на выходе блока ФЭУ:
C
Передаточная характеристика БОС приведена на Фиг. 16. Она линейна вплоть до размаха сигнала на входе ~ U =7 В.
На Фиг. 17 показаны осциллограммы сигналов в контрольных точках блока БОС, указанных на Фиг. 13.
Разработка блока БОС обеспечила получение точных и достоверных данных при проведении измерений с помощью Фурье-анализатора.
Для проведения измерений были разработаны специальные программы.
Программное обеспечение устройства состоит из двух частей:
1. Программа ввода данных в ЭВМ.
2. Программа обработки данных.
Программа ввода данных в ЭВМ
Программа ввода данных в ЭВМ управляет работой АЦП. Программа обеспечивает:
а) Оцифровку и ввод в память ЭВМ уровней сигнала, получаемых на выходе блока БОС при последовательно переключаемых масках. Число замеров по каждой маске при этом задается оператором;
б) Сохранение данных в файлах типа <среда.txt>. Эти файлы представляет собой матрицы измеренных значений сигнала, которые имеют вид
где i - число строк, равное числу измерений по каждой маске;
j - количество столбцов, равное числу масок в устройстве.
Размерность матрицы составляет:
Файл данных содержит заголовок и 8 столбцов данных (по числу сменных масок). Количество измерений варьируется по желанию оператора (до 1000 замеров). Интерфейс программы изображен на Фиг. 18.
Результаты исследований могут быть выведены на экран дисплея и на принтер в следующем виде:
И далее 8 столбцов цифр (по количеству масок), причем число цифр в столбце определяется количеством измерений.
Программа обработки данных в ЭВМ. Для обработки и анализа полученных данных разработано специальное программное обеспечение, которое составлено в соответствии с алгоритмом, представленным ниже.
1. Измеряют эталон:
1.1. А - матрица результатов измерения эталона:
ij
а - напряжение на выходе блока БОС;
i - номер измерения;
j - номер маски;
N - количество измерений по каждой маске;
М - количество масок, i=[1, N], j=[1,М].
1.2. Находят выборочное среднее для каждого элемента вектора:
где
1.3. Находят вектор относительной спектральной интенсивности
1.4. Находят стандартное отклонение выборочного среднего:
а) Для этого находят несмещенную оценку (или выборочное
стандартное отклонение) для каждого элемента вектора
б) Находят стандартное отклонение выборочного среднего:
2. Измеряют исследуемую среду:
2.1. В- матрица результатов измерения исследуемой среды:
ij
b - напряжение на выходе блока БОС.
2.2. Находят выборочное среднее для каждого элемента вектора:
2.3. Находят вектор относительной спектральной интенсивности
2.4. Находят стандартное отклонение выборочного среднего:
а) Для этого находят несмещенную оценку (или выборочное
стандартное отклонение) для каждого элемента вектора
б) Находят стандартное отклонение выборочного среднего:
3. Находят различие между векторами относительной спектральной интенсивности эталона и исследуемого объекта (вектор ):
4. Находят стандартное отклонение выборочного среднего для двух независимых измерений
5. Определяют значимость различий:
Если  - различие не значимое
Если  - различие значимое
6. Строят гистограммы:
Интерфейс программы обработки данных показан на Фиг. 19.
С целью проверки чувствительности Фурье - анализатора был проведен эксперимент с талой водой. Сначала была взята холодная вода из водопроводного крана, налита в кювету и проведены измерения. Затем оставшаяся часть этой воды была заморожена. Часть воды, оставшаяся не замерзшей, была слита, а лед растоплен при комнатной температуре. Талая вода была помещена в кювету для исследования. Результат показан на Фиг. 20. Разница между обычной водой и талой водой наблюдалась для всех масок.
Данный эксперимент, как и множество других, показал, что Фурье-анализатор обладает высокой чувствительностью.
-1
-1
Так, например, при исследовании на установке алкогольных напитков наблюдались значительные флуктуации спектральной интенсивности на первой и второй масках, соответствующих пространственным частотам 7,9 мм и 17,9 мм. Эти флуктуации явились результатом изменения структуры вещества во времени, обусловленной созданием и распадом конгломератов молекул спирта и воды под действием лазерного излучения.
Сравнение между собой результатов последовательных измерений одной и той же среды демонстрирует высокую повторяемость результатов (Фиг. 21).
-4
Эксперименты, выполненные с помощью Фурье-анализатора, показали высокую точность измерений. Так, стандартное отклонение среднего , вычисленное по экспериментальным данным, по порядку величины составляет 10, что соответствует инструментальной погрешности измерений 0,01%.
Общий вид лабораторного макета устройства Фурье-анализатора показан на Фиг. 22.