УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ИНДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ ОРГАНИЧЕСКОГО И БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

Патентуемая полезная модель относится к оптическим устройствам измерения физико-химических параметров объектов органического происхождения. Может быть эффективно использована в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, а также на таможне и в криминалистике для дистанционного зондирования, обнаружения и идентификации широкого спектра объектов органического происхождения (нефтепродукты, их производные, различные виды растительности и т.п.). Патентуемое устройство найдет применение при решении различных задач экологии почв, сельскохозяйственных культур, при исследовании состояния водоемов, атмосферы; в различных производственных процессах, для качественного и количественного дистанционного обнаружения контрабандных включений органического происхождения, а также для дистанционного обнаружения различных отравляющих и взрывчатых веществ.
Спектрографическая лазерная диагностика является одним из перспективных способов количественной и качественной оценки, обнаружения и идентификации различных объектов органического происхождения. Дистанционное лазерное зондирование позволяет с высокой чувствительностью и разрешением исследовать малые количества образца и осуществлять экспресс анализ.
Разработанное устройство основано на использовании оптических методов дистанционного измерения физико-химических параметров объектов органического и биологического происхождения.
Дистанционное зондирование в устройстве реализуется при использовании двух методов лазерной диагностики: метода комбинационного рассеяния (КР) и метода лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Взаимодействие интенсивного лазерного излучения с молекулярными объектами приводит к формированию отклика - вторичного излучения в соответствии с вращательно-колебательной структурой молекулы и природой взаимодействия. В устройстве регистрация вторичного излучения разнесена на два канала наблюдения. В первом канале регистрируется сигнал - спектр комбинационного рассеяния (КР), а во втором канале - спектр лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ).
Из регистрируемых спектров при обработке для идентификации объектов извлекаются характеристические признаки, которые по разработанному критерию правдоподобия сравниваются с эталонным набором признаков.
При дистанционной лазерной диагностике молекулярных объектов регистрируемый сигнал на выбранной спектральной линии представляет собой суперпозицию отклика на лазерное возбуждение диагностируемого объекта и шумового фона. В шумовой фон вносят свой вклад все светящиеся объекты на регистрируемой длине волны. Поэтому, по спектрам дистанционной диагностики не всегда удается идентифицировать молекулярный объект.
Известны различные по своей конструктивной реализации устройства количественной и качественной оценки, обнаружения и идентификации различных объектов органического происхождения.
Известен способ идентификации маркировки товарного бензина и устройство для его осуществления (патент РФ №2137111, G01N 21/64).
Для идентификации марки товарного бензина заранее снимают спектры флуоресценции образцов сравнения - эталонов, при этом для возбуждения объектов используют лазерное излучение с длиной волны, совпадающей с центром линии поглощения объекта. Затем эту же длину волны используют для возбуждения спектра флуоресценции в идентифицируемом бензине и в сине-зеленой области спектра для реперных точек проводят сравнение интегральных величин интенсивности флуоресценции идентифицируемого бензина и образцов сравнения, определяют отношение измеренных величин и судят о марке идентифицируемого бензина.
Существенным недостатком такого устройства является низкая точность идентификации объекта исследования. Недостаточная информативность интегральной интенсивности флуоресценции наблюдается и для «родственных» объектов, спектры таких объектов неразличимы, что приводит к значительному увеличению значения вероятности ложного сигнала, т.е. однозначная идентификация не всегда возможна.
Известно устройство и способ определения характеристик сложных многокомпонентных напитков (патент РФ №2164677, G01N 21/64).
Работа устройства и способ определения характеристик сложных многокомпонентных напитков основана на взаимодействии излучения с исследуемым объектом, возбуждении фотолюминесценции, наблюдении и анализе спектрального состава излучения. Фотолюминесценция тестируемого напитка наблюдается при комнатной температуре или температуре жидкого азота. Анализ спектрального состава излучения проводится аппроксимацией по закону нормального распределения.
Устройство по патенту РФ №2164677 проводит сравнение и идентификацию образцов по совокупности интегральных характеристик спектра, что ограничивает сферу его использования и для надежного распознавания «родственных» веществ не применимо.
Известны также примеры применения методов лазерной спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) и лазерно-индуцированной флуоресцентной диагностики (ЛИФ) в биологии и медицине (книга «Лазерная диагностика в биологии и медицине», авторы: А.В.Приезжев и др., М.: Наука, 1989 г., стр.173-196; стр.197-220).
Использование методов КР в биологии или медицине осуществляют обычно по следующей схеме. Пучок лазерного излучения фокусируют оптической системой в пятно. Рассеянный исследуемым образцом свет собирается оптической системой и подается для исследования в спектрометр (стр.189). Изображение объекта получают также с помощью сканирования по нему сфокусированным пучком (стр.190-196). Этот очень чувствительный в лабораторных условиях способ имеет очень существенный недостаток - его чувствительность с увеличением дальности наблюдения существенно падает и уже для расстояний порядка 10-20 м спектр комбинационного рассеяния не несет достаточной информации для идентификации объекта.
В книге приведены также данные о применении ЛИФ диагностики, которая основана на лазерном зондировании объекта исследования и регистрации спектра флуоресценции с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) в режиме счета фотонов с автоматическим вычитанием окружающего фона и собственных шумов ФЭУ (стр.202-220). Описанные эксперименты не ставили вопрос об идентификации, тем более о дистанционной диагностике и дают лишь качественное представление о предметах исследования.
Известны также устройства и способы дистанционного обнаружения отравляющих веществ (см. заявку на изобретение №98123323, G01N 21/00; патент РФ №2155954, G01N 21/64).
Известные устройства дистанционного обнаружения отравляющих веществ (ОВ) предусматривают лазерное дистанционное зондирование ультрафиолетовым (УФ) - излучением, регистрацию фоновых характеристик атмосферы и интенсивности сигналов люминесценции аэрозоля ОВ в видимой области спектра.
Данные устройства позволяют осуществлять дистанционный контроль концентрации конкретных отравляющих веществ (ОВ), но не позволяют осуществлять диагностику и идентификацию ОВ.
Известно устройство, которое позволяет реализовать способ контроля подлинности драгоценных камней (патент РФ №2069350, G01N 21/64).
Устройство по патенту РФ №2069350, с помощью которого осуществляют контроль подлинности драгоценных камней, включает облучение образца, регистрацию и запись спектра люминесценции в заданной области, сравнение характеристик спектра образца с аналогичными величинами для эталона. Облучение исследуемого образца осуществляют импульсными электронными пучками. Облучение, регистрацию и запись спектра люминесценции образца осуществляют не менее двух раз, первый раз для создания эталона - спектрально-люминесцентного паспорта контролируемого образца, второй раз - при повторном появлении камня на контрольном пункте.
Особенность данного устройства и запатентованного способа контроля подлинности драгоценных камней - образец сравнивается сам с собой, вводится понятие паспорта.
Существенным недостатком устройства по патенту РФ №2069350 и реализованного им способа контроля является крайняя ограниченность области его практического применения. Запатентованные технические решения не могут быть использованы для идентификации и контроля объектов органического происхождения, ввиду недостаточной информативности. Имея более сложные структуры, объекты органического происхождения для родственных (близких по структуре) веществ могут иметь перекрывающиеся спектры флуоресценции, и одного спектра будет недостаточно для диагностики и идентификации с высокой вероятностью правильного обнаружения.
Накопленный опыт и многолетняя практика подтверждает, что спектрографическая лазерная диагностика является одним из перспективных способов количественной и качественной оценки, обнаружения и идентификации различных объектов органического происхождения. Дистанционное лазерное зондирование позволяет с высокой чувствительностью и разрешением исследовать на расстоянии малые количества образца и осуществлять экспресс анализ. Вместе с тем, проведенный заявителем анализ свидетельствует, что все многообразие используемых в различных отраслях народного хозяйства методик лазерного измерения и обнаружения различных объектов не позволяет идентифицировать детектируемые объекты с необходимой достоверностью. Это обстоятельство стимулировало разработку нового перспективного устройства и соответствующей методики, позволяющих значительно повысить обнаружительные характеристики двух методов лазерной дистанционной диагностики - метода комбинационного рассеяния (КР) и метода лазерно-индупированной флуоресценции (ЛИФ).
Известно устройство дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения, описанное в патенте РФ №2233438, (МПК: G01N 21/64). Оно наиболее близко по технической сущности и своей схемотехнике к патентуемому устройству и может быть принято в качестве прототипа.
Изобретение относится к оптическим методам измерения физико-химических параметров. Для дистанционного зондирования объекта формируют два канала наблюдения, в которых используют лазерное излучение с различной длиной волны. Формируют частотно-временной паспорт эталонного образца. Формируют угловую расходимость лазерного излучения и сканируют пространство. При обнаружении спектров излучения, коррелирующих со спектром излучения эталонного образца, сканирование прекращают. В результате взаимодействия объекта с излучением в первом канале формируют излучение комбинационного рассеяния, а во втором канале - лазерно-индуцированную флуоресценцию. Осуществляют регистрацию и запись спектров излучения объекта. Идентификацию объекта осуществляют путем сравнения частотно-временного портрета исследуемого объекта с частотно-временным паспортом эталонного образца. Существенным недостатком устройства обнаружения, описанного в патенте РФ №2233438, является технологическая длительность идентификации объектов органического происхождения, что значительно ограничивает область практического использования запатентованного устройства. К недостаткам данного устройства следует отнести необходимость его расположения в достаточной близости от объекта исследования, что не всегда возможно. Таким образом, запатентованное устройство имеет весьма ограниченную сферу реального использования.
Настоящая полезная модель решает техническую задачу:
- кардинального сокращения времени измерении, значительного увеличения расстояния возможного обнаружения и идентификации с высокой степенью вероятности для широкого спектра объектов органического и биологического происхождения;
- повышения достоверности обнаружительных и идентификационных характеристик объектов органического происхождения за счет регистрации отклика на лазерное зондирование объекта исследования двумя независимыми по параметрам и назначению каналами наблюдения;
- существенного снижения вероятности ложной идентификации исследуемого объекта органического и биологического происхождения.
Решение поставленной технической задачи осуществляют следующим образом.
В патентуемом устройстве регистрация отклика на лазерное зондирование объекта исследования осуществляют двумя независимыми и различными по параметрам и назначению каналами наблюдения. Работа патентуемого устройства основана на двух методах лазерной дистанционной диагностики - метода комбинационного рассеяния (КР) и методе лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Регистрация соответствующих параметров спектра КР в первом канале наблюдения и соответствующих параметров спектра ЛИФ во втором канале наблюдения позволяет получить индивидуальный многомерный и многофакторный частотно-временный портрет исследуемого образца в соответствии с его индивидуальной структурой - молекулярной, вращательно-колебательной, наличием отдельных молекул, химических связей. Все это позволяет обеспечить высокую вероятность правильного обнаружения и до минимума снизить вероятность ложной идентификации исследуемого объекта.
Патентуемая полезная модель использует спектрографические (оптические) методы измерения физико-химических параметров объектов органического и биологического происхождения. Разработанное устройство отличается тем, что является инструментом, как для измерения физико-химических параметров объектов органического и биологического происхождения, в котором как диагностируемый объект, так и все составляющие фона рассматриваются в представлении «распознавания образов». В этом представлении любой объект - класс - определяется в векторном пространстве однозначным набором признаков. Набором признаков (характеристическими параметрами излучения или вектором) определяется излучение детектируемого объекта и каждого из выделенных составляющих фона - подстилающей поверхности, молекулярных объектов, светящихся в регистрируемом диапазоне длин волн, но не являющихся предметом детектирования. Для идентификации исследуемого объекта необходимо заранее иметь базы данных признаков как можно большего количества классов. Идентификация объекта, в соответствии с разработанным алгоритмом «распознавания образов», основывается на сравнении той или другой меры близости (или меры сходства) распознаваемого объекта с каждым классом с учетом веса признака.
Метод КР основан на неупругом (комбинационном) рассеянии света молекулами, что позволяет связать получаемые линейчатые КР - спектры с химическими свойствами и структурой энергетических состояний молекул. Структура энергетических состояний определяется составом, количеством атомов в молекуле, наличием определенных связей между атомами и радикалами. При взаимодействии лазерного излучения с молекулой, в соответствии с природой КР, молекула излучает линейчатый спектр на частоте биений - на частоте, формируемой как сумма или разность частоты лазерного излучения и частот внутренних переходов в молекуле. Появление тех или иных линий в спектре КР, таким образом, сугубо индивидуально, на этом и основана идентификация молекул при использовании этого метода зондирования.
Другой тип взаимодействия лазерного излучения с веществом лежит в основе метода ЛИФ. При взаимодействии лазерного излучения с молекулой в случае ЛИФ происходит возбуждение молекулы - она переходит на более высокий энергетический уровень. При этом заселяются многочисленные колебательно-вращательные состояния молекулы. Распад (опустошение) этих состояний при релаксации молекулы сопровождается переходами на все разрешенные энергетически нижерасположенные уровни. При регистрации наблюдается огибающая всех этих переходов - непрерывный спектр (спектр ЛИФ), определяемый колебательно-вращательной структурой молекулы. Идентификация по методу ЛИФ проводится с использованием извлеченных из спектра параметров и сличения их с параметрами эталонных молекул.
Таким образом, совокупность новых схемотехнических решений, реализованных в патентуемом устройстве, позволяет эффективно использовать методы КР и ЛИФ для дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения. Патентуемая полезная модель позволяет одновременно использовать два независимых измерительно-информационных канала в приемном тракте устройства. Один из каналов регистрирует сигнал, формирующийся при взаимодействии лазерного излучения с молекулой как отклик на комбинационную природу взаимодействия, т.е. в первом канале на приемнике формируется спектр комбинационного рассеяния.
Второй измерительно-информационный канал регистрирует сигнал индуцированной лазерным излучением флуоресценции - спектр ЛИФ. Оба спектра формируются как отклик на разную природу взаимодействия лазерного излучения с веществом, разнесены по времени и спектральному диапазону, и поэтому не перекрываются и несут независимую информацию.
g
i
1
N
i
1
N
g
1g
Ng
g
g
i
При обработке полученных спектров реализуется подход, известный как «распознавание образов». При этом каждый диагностируемый объект рассматривается как класс, определяемый в векторном пространстве признаков вектором независимых параметров. В нашем случае, классами Ω, g=1,…,m являются все зондируемые молекулярные объекты, а пространство признаков определяется независимыми параметрами x, извлекаемыми из спектров КР и ЛИФ. Эти параметры, являющиеся составляющими вектора х={x,…,x}, (i=1,…,N), образуют пространство признаков системы распознавания D, i=1,…,m; количество выбранных признаков задает размерность пространства N. Набор независимых параметров представляется как частотно-временной портрет исследуемого вещества - класса ω. Алгоритм распознавания основывается на сравнении меры близости в пространстве признаков векторов детектируемого вещества х={x,…,x} и эталонного х={x,…,x}. Мерой близости L(ω,Ω) выбрано среднеквадратичное расстояние d между соответствующими признаками определенного класса объектов Ω и детектируемым объектом - ω. С учетом веса каждого признака W(i=1,…,N) мера близости определяется как:
,
g
g
а заключение о принадлежности объекта ω к классу, Ω т.е. ω∈Ω принимается при
g
j
i
L(ω,Ω)=extrL(ω,Ω), j=1,…,m
Функционально решение поставленной задачи осуществляют следующим образом.
В устройстве дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения, включающем дистанционное импульсное зондирование исследуемого объекта излучением, регистрацию и запись спектров излучения, сравнение характеристик спектров излучения эталонного образца и исследуемого объекта, для проведения дистанционного импульсного зондирования исследуемого объекта формируют два канала наблюдения различных проявлений лазерного взаимодействия с молекулами.
0
В устройстве реализуется наблюдение двух типов откликов молекул на лазерное дистанционное воздействие - спектра лазерного комбинационного рассеяния КР и спектра лазерно-индуцированной флуоресценции. Для возбуждения в устройстве используется излучение одного YAG: Nd лазера, работающего на 4-ой гармонике λ=266 нм.
0
0
-15
-12
Лазерное воздействие на молекулярный объект сопровождается целым рядом явлений, имеющих различную природу, в том числе КР и ЛИФ. Возможность использования одного источника возбуждения базируется на том, что отклики разных типов разнесены по времени и спектральному диапазону. Отклик КР при лазерном возбуждении на длине волны λ=266 нм формируется на крыле лазерной линии в спектральном диапазоне 270-300 нм, с задержкой порядка 10 с после акта возбуждения. Отклик ЛИФ, в свою очередь, при той же длине волны возбуждения λ=266 нм формируется в спектральном диапазоне 320-750 нм, с задержкой порядка 10 с.
Таким образом, оба канала наблюдения позволяют независимо, в соответствии выбранной программой, наблюдать и регистрировать сигналы КР и ЛИФ. Из зарегистрированных спектров в соответствующих анализаторах извлекаются необходимые параметры.
В канале наблюдения ЛИФ, кроме того, имеется дополнительная возможность - в выбранном спектральном диапазоне исследовать характер релаксации флуоресценции, что позволяет получить еще один характеристический параметр - время распада флуоресценции. Характеристические параметры спектров КР и ЛИФ после этого подают в вычислитель, в котором и формируется вектор, составляющими которого являются полученные параметры. В вычислителе проводится математическая фильтрация шумов. В отфильтрованном виде вектор параметров представляет частотно-временной портрет исследуемого объекта, который сравнивается с соответствующими векторами эталонных объектов. Оценка меры близости позволяет сделать заключение о принадлежности тестируемого объекта к тому или иному классу и определить вероятность правильного обнаружения.
Конструктивно решение поставленной технической задачи достигается следующим образом.
Устройство дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического и биологического происхождения, аналогичное, описанному в патенте РФ №2233438, включающее:
- источник лазерного излучения, на оптической оси которого установлены формирующая оптика и устройство сканирования лазерного излучения,
- первый вход источника лазерного излучения подключен к третьему выходу первого блока питания, первый, второй и четвертый выходы которого соединены соответственно со вторым входом сканирующего устройства, со вторым входом первого блока синхронизации и управления и со вторым входом второго блока синхронизации и управления,
- первый выход первого блока синхронизации и управления соединен со вторым входом источника лазерного излучения, второй и третий выходы подключены соответственно к первому входу второго блока синхронизации и управления и к первому входу сканирующего устройства,
- для приема и анализа рассеянного объектом исследования излучения - спектра комбинационного рассеяния (КР) устройство содержит приемную оптику, оптический сигнал с которой подается на оптический вход первого анализатора спектра,
- для приема и анализа излученной объектом исследования лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) устройство содержит приемную оптику, оптический сигнал с которой подается на оптический вход второго анализатора спектра, первый и второй анализаторы спектра своими многоразрядными выходами подключены соответственно к первому и второму многоразрядным входам вычислителя, который многоразрядной двунаправленной шиной связан с монитором,
- первый и второй выходы вычислителя соединены соответственно с первым входом первого блока синхронизации и управления и третьим входом второго блока синхронизации и управления, первый вход вычислителя соединен с первым выходом второго блока синхронизации и управления, второй выход которого подключен ко вторым входам анализаторов спектра, пятый вход вычислителя соединен со вторым выходом второго блока питания, первый и третий выходы которого, подключены соответственно к входу монитора и к первым входам первого и второго анализаторов спектра, входы первого и второго блоков питания соединены с источником напряжения, согласно патентуемой полезной модели устройство содержит блок временного анализа флуоресценции, первый выход которого подключен к шестому входу вычислителя, второй выход - к третьему входу второго анализатора спектра.
Полезная модель предусматривает, что первый блока временного анализа флуоресценции подключен ко второму выходу второго блока синхронизации и управления и ко вторым входам первого и второго анализаторов спектра, второй и третий входы блока временного анализа флуоресценции подключены соответственно к четвертому выходу второго блока питания и к четвертому выходу вычислителя.
Технический результат патентуемой полезной модели заключается:
- в кардинальном повышении достоверности обнаружительных и идентификационных характеристик объектов органического происхождения. Разработанное устройство позволяет в реальное время - (5-20) с и на расстоянии до 60 м с высокой степенью вероятности (до 0,8-0,9) осуществлять обнаружение и идентификацию широкого спектра объектов органического и биологического происхождения, находящихся в негерметичной упаковке (нефтепродуктов, их соединений, различных видов растительности, отравляющих и взрывчатых веществ и т.п.).
- благодаря тому, что регистрацию отклика на лазерное зондирование объекта осуществляют двумя независимыми и различными по параметрам и назначению каналами наблюдения, патентуемое устройство позволяет получить индивидуальный многомерный и многофакторный частотно-временный портрет исследуемого образца в соответствии с его индивидуальной структурой - молекулярной, вращательно-колебательной, наличием отдельных молекул, химических связей, и тем самым обеспечить высокую вероятность правильного обнаружения и до минимума снизить вероятность ложной идентификации исследуемого объекта.
Сущность патентуемой полезной модели поясняется нижеследующим описанием примера ее конструктивной реализации чертежами, отражающими принцип работы устройства, а также принципом реализации способа дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического м биологического происхождения. На чертежах представлены:
фиг.1 - блок-схема патентуемого устройства;
фиг.2 - пример блок-схемы анализаторов спектра 10, 11;
фиг.3 - пример блок-схемы вычислителя 12;
фиг.4 - вариант блок-схемы блоков синхронизации и управления 2, 6;
фиг.5 - укрупненная блок-схема алгоритма работы устройства;
Фиг.6. - блок-схема блока временного анализа флуоресценции 14.
0
Патентуемое устройство, представляет собой анализатор дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического и биологического происхождения, содержит источник лазерного излучения 1 (фиг.1), длина волны излучения которого составляет λ=266 нм (4-ая гармоника YAG: Nd лазера). На оптической оси источника лазерного излучения 1 установлены формирующая оптика 3 и устройство сканирования лазерного излучения 4. На фиг.1 тонкой пунктирной линией условно показано направление лазерного излучения от источника 1 к блокам 3 и 4, к объекту исследования и от него к приемной оптике соответствующего канала наблюдения.
Первый вход источника лазерного излучения 1 подключен к третьему выходу первого блока питания 5, первый, второй и четвертый выходы которого соединены соответственно со вторым входом сканирующего устройства 4, со вторым входом первого блока синхронизации и управления 2 и со вторым входом второго блока синхронизации и управления 6.
Первый выход первого блока синхронизации и управления 2 соединен со вторым входом источника лазерного излучения 1, второй и третий выходы подключены соответственно к первому входу второго блока синхронизации и управления 6 и к первому входу сканирующего устройства 4,
Для приема и анализа отклика молекулярного объекта 7 на лазерное возбуждение, имеющего КР природу - спектра комбинационного рассеяния (КР) устройство содержит приемную оптику 8,, оптический сигнал с которой подается на оптический вход первого анализатора спектра 10. Второй канал наблюдения может функционировать по программе в двух режимах.
Для приема и анализа излученной объектом исследования 7 лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) устройство содержит приемную оптику 9, оптический сигнал с которой подается на оптический вход второго анализатора спектра 11 (режим «А»).
Первый и второй анализаторы спектра 10 и 11 своими многоразрядными выходами подключены соответственно к первому и второму многоразрядным входам вычислителя 12, который многоразрядной двунаправленной шиной связан с монитором 15. Первый и второй выходы вычислителя 12 соединены, соответственно, с первым входом первого блока синхронизации и управления 2 и третьим входом второго блока синхронизации и управления 6. Первый вход вычислителя 12 соединен с первым выходом второго блока синхронизации и управления 6, второй выход которого подключен ко вторым входам первого и второго анализаторов спектра, 10 и 11.
Пятый вход вычислителя 12 соединен со вторым выходом второго блока питания 13, первый и третий выходы которого, подключены соответственно к входу монитора 15 и к первым входам первого и второго анализаторов спектра 10 и 11.
Входы первого и второго блоков питания 13 соединены с источником напряжения.
Патентуемое устройство содержит блок временного анализа флуоресценции 14, первый выход которого подключен к шестому входу вычислителя, второй выход - к третьему входу второго анализатора спектра 11.
Первый вход блока временного анализа флуоресценции 14 подключен ко второму выходу второго блока синхронизации и управления 6 и ко вторым входам первого и второго анализаторов спектра 10 и 11.
Второй и третий входы блока временного анализа флуоресценции 14 подключены соответственно к четвертому выходу второго блока питания 13 и к четвертому выходу вычислителя 12.
В «режиме Б» лазерно-индуцированная флуоресценция направляется в блок временного анализа флуоресценции 14. Управление и синхронизация блоков 10, 11, 14 осуществляется от второго блока синхронизации и управления 6.
Переключение режимов работы второго канала наблюдения осуществляется через второй выход блока временного анализа флуоресценции 14, который соединен с третьим входом анализатора 11.
Блок временного анализа флуоресценции 14 имеет также связь с вычислителем 12, что обеспечивает переключения режимов работы второго канала наблюдения по программе и передачу информации о временном анализе в вычислитель 12.
Источник лазерного излучения 1 располагают от объекта лазерного зондирования и исследования 7 на расстоянии от 5 до 60 м.
В качестве источника лазерного излучения 1 может быть выбран стандартный лазер: например, источник лазерного излучения 1 (см. книгу «Инфракрасные лазерные локационные системы»; авторы: Протопопов В.В., Устинов Н.Д.; М.: Воениздат, 1987 г., стр.45), (см. "Физическую энциклопедию"; М.: "Советская энциклопедия", 1988 г., стр.384).
В разработанном устройстве используется лазер LS-2137U/4 фирмы Lotis II (Белоруссия).
Источник излучения 1 позволяет осуществлять дистанционное лазерное зондирование исследуемого объекта при длительности импульса от 4 до 7 нс, частоте повторения импульсов от 10 до 50 Гц и энергии излучения в импульсе до 0,2 мДж. В устройстве предусмотрена возможность накопление сигналов по 2-50 импульсам возбуждения.
Формирующая оптика 3 обеспечивает требуемую угловую расходимость лазерного излучения может быть реализована в виде оптического объектива (см., например, S.G.Lambert, W.L.Casey. Laser Communications in Space. Artech House, 1995, стр.119-128). Выбор значения угловой расходимости лазерного излучения определяется экспериментально и зависит от типа исследуемого объекта и дальности его расположения.
Устройство сканирования лазерного излучения 4 обеспечивает дистанционное сканирование пространства по азимуту и углу места в диапазоне углов от 0° до ±90° по каждой из угловых координат. В качестве устройства сканирования 4 использована известная конструкция, описанная в книге S.G.Lambert, W.L.Casey. Laser Communications in Space. Artech House, 1995, стр.109).
Первый блок синхронизации и управления 2 обеспечивает синхронизацию работы источников лазерного излучения 1 и и сканирующего устройства 4, установку расчетных параметров излучения (частота повторения импульсов излучения лазеров, диапазон углов сканирования пространства).
Блоки питания 5 и 13 соединены с сетью питания 220 В и обеспечивают подачу питающих напряжений на все остальные блоки. Выполнены блоки питания 5 и 13 по известной схемотехнике (см., например, Ежегодный Международный каталог опто-электронных приборов зарубежных фирм 2001 г.
«Laser Focus World. Buyers Guide 2001 the Optoelectronics Industry Sourcebook. Vol.36).
Приемная оптика 8 и 9 обеспечивают ввод излучения КР и ЛИФ в соответствующий анализатор спектра. Конструктивно блоки приемной оптики 8 и 9 могут быть реализованы каждый в виде оптического объектива (см., например, S.G.Lambert, W.L.Casey. Laser Communications in Space. Artech House, 1995, стр.119-128).
Первый и второй анализаторы спектра 10 и 11 обеспечивают разложение спектра исследуемого сигнала, преобразование оптического сигнала в электрический сигнал и последующее измерение частотно-временных характеристик спектров излучения КР и ЛИФ, осуществляют передачу измеренных параметров спектров КР и ЛИФ в вычислитель 12 для формирования частотно-временного портрета исследуемого объекта.
Первый и второй анализаторы спектра 10 и 11 схемотехнически выполнены идентично на базе стандартных комплектующих элементов и каждый содержит (фиг.2) полихроматор на основе дифракционных решеток 16, оптический вход которого является оптическим входом анализатора спектра. Оптический выход полихроматора 16 подключен к оптическому входу фотоприемника 17, который содержит электронно-оптический усилитель яркости 18, оптический выход которого соединен с оптическим входом многоэлементной фоточувствительной линейки 19. Выход фоточувствительной линейки 19 подключен к первому входу блока управления и усиления сигналов фотоприемника 20, который многоразрядным выходом соединен с интерфейсом 21, многоразрядный выход, которого является многоразрядным выходом анализаторов спектра 10 и 11. Третий вход блока управления и усиления сигналов фотоприемника 20 соединен со вторым выходом второго блока синхронизации и управления 6. Вторые входы блоков 18, 19, 20 и интерфейса 21 соединены с третьим выходом второго блока питания 13. Третий вход интерфейса 21 соединен со вторым выходом второго блока синхронизации и управления 6. В качестве одной из возможных конкретных реализаций анализаторов спектра 10 и 11 могут быть использованы анализаторы спектра типа: HP 71450В, НВ 71451В, 71400С, 70880А, производства фирмы "Hewlett Packard" (каталог фирмы "Test & Mesurement, HP, 1996 г., стр., 426-429). В качестве анализаторов спектра могут быть использованы также монохроматоры М266 IY (фирмы SOLAR, Белоруссия), укомплектованные 4 дифракционными решетками, многоэлементной фоточувствительной линейкой TCD1205D (Toshibba) и двумя выходными портами, на одном из которых можно разместить фоточувствительную линейку, на другом - блок временного анализа.
Таким образом, устройство дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения представляет собой информационно-измерительную систему, решающую задачу обнаружения молекулярных объектов при использовании: одного источника лазерного излучения 1, формирующей оптики 3, устройства сканирования 4 в возбуждении и двух независимых каналов наблюдения. В первом канале регистрируется отклик на лазерное возбуждение, связанный с КР типом взаимодействия, он содержит приемную оптику 8, анализатор спектра 10. Во втором канале наблюдения регистрируется отклик на лазерное возбуждение, определяемый ЛИФ типом взаимодействии лазерного излучения и молекулы. Второй канал наблюдения также содержит приемную оптику 9 и анализатор спектра 11, а в режиме «Б» дополнительно подключается блок временного анализа 14. Первый и второй каналы наблюдения подключены к вычислителю 12.
Вычислитель 12 обеспечивает формирование частотно-временного портрета исследуемого объекта, сравнение частотно-временного портрета исследуемого объекта с частотно-временными паспортами эталонных образцов, размещенных в памяти вычислителя, и идентификацию исследуемого объекта. Вычислитель 12 выполнен, в виде системного блока персонального компьютера (из серийных покупных блоков), который содержит (фиг.3) корпус 22 (марки midi-tower ATX), блок питания 23 (модель AL 230W), процессор 24 (типа Intel Pentium-2 333 МГц), память 25 (марки SDRAM 64 MB), жесткий диск 26 (типа Seagate 8,6 GB), контроллеры ввода-вывода: контроллер 27 RS-232, контролер клавиатуры 28; видеокарту 29 (марки S3 savage 3D 8 MB), контроллер принтера 30 (типа Centro-nix), клавиатуру 31 (типа ВТС Turbo-PS/2), материнскую плату 32 (марки Asustec Р2В).
Первый блок синхронизации и управления 2 и второй блок синхронизации и управления 6 реализованы на основе стандартных элементов, например, по схеме, приведенной на фиг.4.
Первый (2) и второй (6) блоки синхронизации и управления содержат (фиг.4) генератор синусоидального напряжения 33 на частоту 1 мГц, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ)-34, генератор управляющих кодов 35 и формирователь команд управления 36. Примеры конкретной реализация блоков 33-36 приведены в книге "Методы автоматизации физических экспериментов и установок на основе ЭВМ" (автор: Ступин Ю.В.; М.: Энергоатомиздат, 1983 г., 288 стр.).
Блок временного анализа флуоресценции 14 (Фиг.6) содержит:
40 - полихроматор;
41 управляемый шаговый двигатель;
0
39 - управляемый оптический затвор, задающий задержку времени открывания канала регистрации относительно переднего фронта импульса лазерного излучения λ, (привязку к лазерному импульсу, учитывающую удаленность тестируемого объекта) и длительность открытия канала;
42 - фотоэлектронный умножитель в режиме счета фотонов;
43 - счетчик фотонов;
44 - память;
37 - блок синхронизации 3;
38 - блок управления оптическим затвором.
Блок временного анализа флуоресценции 14 формирует на выходе в цифровом виде функцию распада флуоресценции в зависимости от времени прекращения лазерного воздействия, что позволяет в вычислителе 12 оценить время жизни флуоресценции в определенном спектральном диапазоне.
Укрупненная блок-схема алгоритма работы устройства по обнаружения и идентификации приведена на фиг.5. Полное и подробное описание программного продукта для реализации патентуемого способа изложено в технической документации заявителя.
Патентуемое устройство работает следующим образом.
0
Для установившегося режима работы лазера λ=266 нм (4-ая гармоника YAG: Nd лазера) с помощью блока синхронизации и управления 2 выставляют угловую расходимость лазерного излучения и в сканирующем устройстве 4 необходимые параметры режима облучения пространства с искомым объектом. Режим работы для источника лазерного излучения 1 предусматривает длительность импульсов 5 не, частоту повторения импульсов 10-50 Гц и энергию излучения импульсов 0,1 мДж.
0
В соответствии с запатентованной методикой (патент РФ №2233438) предварительно осуществляют формирование частотно-временного паспорта одного или нескольких эталонных образцов, который записывают в память вычислителя 12. При включении источника лазерного излучения сканирующее устройство 4 осуществляет сканирование пространства с исследуемым объектом 7. Искомый объект, если он есть в пространстве сканирования, подвергается воздействию лазерного излучения на длине волны λ. При обнаружении в отклике спектров излучения, которые по основным параметрам (например, положение на оси частот максимумов двух-трех самых интенсивных спектральных линий) коррелируют со спектром излучения эталонных образцов (или образца), сканирование пространства прекращают. Направляют лазерное излучение на выделенную область пространства, отклики на лазерное возбуждение регистрируют и накапливают в каналах наблюдения.
0
При взаимодействии лазерного излучения с исследуемым объектом 7 в результате неупругого рассеивания в первом канале наблюдения формируется спектр комбинационного рассеяния. Спектр КР представляет собой набор узких линий, смещенных вправо и влево относительно линии возбуждения λ. Местоположение линий в спектре комбинационного рассеяния определяется комбинацией возбуждающей частоты и частотами переходов между вращательно-колебательными уровнями молекулярного объекта, поэтому отстройка характеристических линий от линии возбуждения является однозначной характеристикой наблюдаемого объекта. Кроме того, интенсивность сигнала КР прямо пропорциональна плотности рассеивающих молекул и не зависит от присутствия других молекул и фона.
0
Во втором канале наблюдения в режиме «А» формируется спектр лазерно-индуцированной флуоресценции, в режиме «Б» формируется временная зависимость распада флуоресценции для определенного спектрального диапазона. Для «А» режима наблюдаемый спектр ЛИФ сдвинут в длинноволновую область, относительно возбуждающей линии λ Сложный характеристический спектр ЛИФ, представляет собой огибающую всех вращательно-колебательных переходов с возбужденного состояния на основной уровень молекулы. Дифференциальное сечение рассеяния для метода ЛИФ имеет в сравнении с методом КР на несколько порядков большее значение, и поэтому данный метод может быть эффективно использован для исследования объектов, удаленных на расстояние до 1 100-150 м. Спектры ЛИФ индивидуальны для каждого молекулярного объекта. На практике, имея дело со сложными молекулярными соединениями, тем более с «родственными» молекулярными объектами, например, такими как травянистые однодольные растения, легкие бензины и т.д., для которых спектры ЛИФ почти совпадают, использовать только интегральные характеристики спектров ЛИФ для достоверной идентификации наблюдаемых объектов не всегда представляется возможным.
Для устранения этого недостатка в патентуемом устройстве реализован, подход, известный как «распознавание образов». При этом каждый диагностируемый молекулярный объект задается вектором независимых параметров, которые извлекаются из зарегистрированных спектров КР и ЛИФ. В число независимых параметров включаются все зарегистрированные сдвиги линий КР спектра и независимые параметры, извлекаемые из ЛИФ спектров.
Методика извлечения независимых параметров из спектра ЛИФ включает в себя:
- разбиение после первой регистрации спектра ЛИФ на ряд полос-участков спектра (либо равной ширины, либо по определенному алгоритму в соответствии с особенностями полученного спектра).
- нахождение для каждой полосы характеристических параметров, заметно меняющиеся со структурными отличиями «родственных» веществ. Так как спектр ЛИФ формируется как отклик на возбуждение вращательно-колебательных переходов, соответствующих различным состояниям молекулы, молекулярным связям и даже разным молекулам, и их вклад в интенсивность полос различен, то это проявляется в разбросе значений вышеуказанных параметров. Эти параметры оказываются чувствительными к структурным отличиям «родственных» молекулярных объектов.
- из спектра ЛИФ в вычислителе 12 определяются:
средняя интенсивность в каждой полосе;
ширина каждой полосы;
интенсивность спектра в полосе, отнесенная к ее ширине;
отношение интенсивностей спектра различных полос;
- определение с помощью блока временного анализа флуоресценции 14 времен распада флуоресценции в каждой полосе после прекращения лазерного импульсного зондирования.
Алгоритм распознавания молекулярного объекта, т.е. его отнесение к тому или иному классу, в устройстве реализован по методике сравнительного анализа меры схожести для независимых параметров тестируемого объекта и аналогичных параметров эталонных объектов, предварительно внесенных в базу данных вычислителя 12.
Патентуемое устройство дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического и биологического происхождения успешно прошло натурные испытания. Предварительное тестирование устройства и полученные результаты, дают основание утверждать, что патентуемое устройство найдет эффективное применение для проведения дистанционного экспресс-анализа с получением высоких обнаружительных характеристик для объектов органического и биологического происхождения.