Многоканальный волоконно-оптический гетеродинный спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона
MULTICHANNEL FIBER-OPTIC NEAR-INFRARED HETERODYNE SPECTRORADIOMETER

4
2
2
2
2
Изобретение относится к инфракрасной спектрорадиометрии высокого разрешения, позволяющей регистрировать изолированные линии поглощения молекулярных газов со сверхвысоким спектральным разрешением в ближнем инфракрасном диапазоне. Изобретение может быть использовано для дистанционного измерения концентрации парниковых газов (ПГ) и загрязняющих веществ (ЗВ), содержащихся в атмосфере Земли. Измерения могут проводиться как с наземных измерительных станций, предназначенных для локальных измерений долговременной динамики изменения содержания ПГ и ЗВ, так и с мобильных платформ, например, беспилотных или управляемых летательных аппаратов и орбитальных зондов, для охвата обширных территорий и построения карт глобального распределения уровня содержания ПГ и ЗВ в атмосфере. Сверхвысокое спектральное разрешение позволяет получать пространственное распределение ПГ и ЗВ в столбе атмосферы в точке измерения, а также определять проекцию скорости воздушного потока на направление линии визирования. Таким образом, представляемое изобретение является надежным, компактным и высокоточным измерительным прибором для исследования состава и структуры атмосферы и дистанционного контроля содержания ПГ (СН, СО, HO и O) и ЗВ (СО и NO).
Сущность метода гетеродинной регистрации исследуемого сигнала заключается в смешении исследуемого излучения с излучением локального осциллятора (гетеродином) на квадратичном приемнике и анализе биений, возникающих на промежуточной частоте. Гетеродинная спектроскопия позволяет осуществлять высокоточные измерения слабых сигналов с высоким спектральным разрешением. Приборы, функционирующие на основе гетеродинного метода регистрации сигнала, широко применяются в радиочастотном диапазоне.
4
2
2
Из существующего уровня техники известен ряд волоконных гетеродинных спектрорадиометров, например, в патентах США № US 8699029 (В2) (1) и Китая № CN 106382987 (А) (2) описаны компактные спектрорадиометры в основе которых лежит принцип гетеродинирования, которые используются для измерения концентрации основных парниковых газов (CH, СО и HO) в атмосфере по спектру поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне. Перечисленные аналоги обладают рядом недостатков:
1. Существенно более низкое спектральное разрешение, что, в свою очередь, снижает информативность измерений.
2. Приведенные аналоги не имеют дополнительной системы стабилизации частоты локального осциллятора, что приводит к дрейфу частоты гетеродина в процессе измерения и снижению точности получаемых результатов.
3. В электрических схемах обработки сигнала на промежуточной частоте в описываемых аналогах используются амплитудные детекторы на основе полупроводниковых диодов, которые вносят нелинейность в детектируемый сигнал и снижают точность обработки измеряемых данных.
4. Указанные аналоги работают в одноканальном режиме, следовательно, мощность детектируемого сигнала ограничена условиями антенной теоремы (3), что приводит к увеличению времени накопления сигнала, требуемого для получения удовлетворительного отношения «сигнал/шум».
Перечисленные недостатки не позволяют достичь высокого спектрального разрешения, необходимой точности, быстродействия и надежности алгоритмов обработки измеряемых результатов, которые обеспечиваются заявляемым изобретением.
Наиболее близким к заявленному изобретению является гетеродинный волоконно-оптический спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона, описанный в патенте № RU 121927 (U1) (4), который используется для измерения концентрации метана в атмосфере в окрестности длины волны 1,651 мкм.
Одномодовое кварцевое волокно используется в качестве оптической системы. Совмещение волновых фронтов излучения регистрируемого сигнала и гетеродина реализовано за счет использования волоконного одномодового кварцевого разветвителя, который используется в качестве диплексора. Также волоконный одномодовый кварцевый разветвитель используется для разделения излучения гетеродина между измерительными каналами. Регистрируемое излучение заводится в оптическую систему с помощью короткофокусной линзы. В качестве гетеродина используется перестраиваемый диодный лазер с распределенной обратной связью, работающий на длине волны 1,651 мкм. Устройство имеет два измерительных канала: аналитический и реперный. Реперный канал представляет собой стеклянную однопроходную кювету, заполненную метаном, с электронным блоком регистрации и усиления сигнала. Аналитический канал представляет собой полупроводниковый фотодетектор с электронным блоком усиления и фильтрации сигнала в узкой полосе на промежуточных частотах. Согласно результатам, приведенным в работе (5), рассматриваемая полезная модель позволяет в режиме прямого наблюдения Солнца измерять содержание метана в атмосфере с точностью не хуже 1%. Время накопления сигнала составляет 20 минут, при котором отношение «сигнал/шум» составляет около 100.
Данная полезная модель обладает рядом недостатков:
1. В качестве реперного канала используется однопроходная стеклянная оптическая кювета. Данное техническое решение подходит для измерения тех газов, содержание которых в атмосфере невелико. Например, для измерения концентрации углекислого газа или водяного пара в атмосфере использование однопроходной кюветы в реперном канале недопустимо.
2. Из работы (5) известно, что для регистрации сигнала на промежуточной частоте используется амплитудный детектор на основе полупроводникового диода, который вносит значительную нелинейность в измеряемый сигнал, что в свою очередь приводит к усложнению процедуры обработки и снижению точности измеряемых данных.
3. Мощность регистрируемого сигнала ограничена условием антенной теоремы (3), что приводит к необходимости длительного (до 20 минут) накопления сигнала для достижения приемлемого отношения «сигнал/шум», равного 100.
4. При проведении измерений в гетеродинном режиме необходимо измерять уровень мощности шумов гетеродина, т.е. темновой сигнал, соответствующий режиму, когда на фотодетектор попадает лишь излучение гетеродина. В описываемой модели темновой сигнал измеряется посредством включения/выключения регистрируемого сигнала, падающего на квадратичный детектор, с помощью прерывателя в последовательном режиме, что приводило к увеличению времени накопления регистрируемого сигнала в два раза.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание многоканального волоконно-оптического лазерного гетеродинного спектрорадиометра высокого разрешения ближнего инфракрасного диапазона для одновременного измерения нескольких атмосферных ПГ и ЗВ, который позволил бы значительно сократить время накопления сигнала, увеличить отношение сигнал/шум и увеличить чувствительность и точность проводимых измерений.
Задача решается за счет того, что предлагается многоканальный волоконно-оптический гетеродинный спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона, характеризующегося тем, что включает в себя систему, содержащую по меньшей мере два оптических приемных устройства, прерыватель принимаемого оптического сигнала, гетеродин с высокоточной стабилизацией частоты оптического излучения и одномодовым волоконным выводом, кварцевые одномодовые волоконные разветвители сплавного и планарного типов, используемые как для разделения, так и для совмещения оптических сигналов, реперный канал, состоящий из оптической кюветы и электронного блока регистрации оптического сигнала, систему аналитических каналов, состоящих из фотодиода и предусилителя с узкой полосой пропускания, блок обработки сигнала на промежуточной частоте, включающий систему аналого-цифровой преобразователь и вычислительный блок на основе ПЛИС, и блок управляющей электроники, включающий прецизионный перестраиваемый источник тока гетеродина.
Возможны дополнительные варианты выполнения многоканального волоконно-оптического гетеродинного спектрорадиометра, в которых целесообразно, чтобы:
• кюветой реперного канала являлась многопроходная оптическая кювета, работающая по принципу регистрации интегрального внутрирезонаторного выходного излучения;
• прерывателем принимаемого оптического сигнала являлся волоконный переключатель на основе микроэлектромеханических систем;
• оптическим приемным устройством являлся одномодовый волоконный коллиматор с градиентной линзой.
• количество оптических приемных устройств и аналитических каналов составляет от от 2 до 8 единиц.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является значительное повышение чувствительности определения концентраций ПГ или ЗВ за более короткий промежуток времени, за счет использования многоканальной системы регистрации исследуемого сигнала и синхронного измерения темнового и смешанного сигналов.
Заявляемое изобретение обладает рядом преимуществ по сравнению с наиболее близким ее аналогом (4):
2
2
1) Появилась возможность детектирования слабых спектральных линий, атмосферных газов, таких как СО и HO за счет использования в реперном канале многопроходной оптической кюветы, основанной на принципе регистрации интегрального внутрирезонаторного выходного излучения, которая позволяет достичь эффективного оптического пути 30 м. Принцип работы подобной оптической системы описан в работе (6).
2) В качестве анализатора сигнала на промежуточной частоте используется разработанный авторским коллективом электронный блок анализа сигнала на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), который не вносит дополнительных искажений в сигнал во время его обработки.
3) Для преодоления условия антенной теоремы, ограничивающей поле зрения гетеродинного спектрорадиометра, применена концепция многоканальности, заключающаяся в одновременном использовании нескольких независимых, идентичных каналов, осуществляющих регистрацию сигнала. Данное техническое решение позволяет при фиксированном времени накопления увеличить отношение «сигнал/шум» пропорционально квадратному корню из количества каналов.
4) Прерывание сигнала реализовано на основе волоконного переключателя таким образом, что темновой и смешанный сигналы измеряются в течение одного цикла сканирования частоты гетеродина. Таким образом, в параллельном режиме непрерывно регистрируется два сигнала - темновой и смешанный. Данная модификация позволяет сократить время накопления сигнала в два раза.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - представлена принципиальная блок-схема многоканального волоконно-оптического гетеродинного спектрорадиометра ближнего инфракрасного диапазона;
На фиг. 2 - представлена зависимость пропускания атмосферы от волнового числа для линии поглощения метана;
На фиг. 3 - представлена зависимость пропускания атмосферы от волнового числа для линии поглощения углекислого газа.
Многоканальный волоконно-оптический гетеродинный спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона состоит из следующих компонент: гетеродин 1, роль которого играет перестраиваемый полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью и волоконным выводом излучения; одномодовое кварцевое волокно 2; волоконный разветвитель сварного типа 3; волоконный разветвитель планарного типа 4; диплексоры 5, в качестве которых используются волоконные разветвители сварного типа; система оптических приемных устройств 6, роль которых играют короткофокусные асферические линзы; прерыватель фронта принимаемого излучения 7; система аналитических каналов 8, которые включают в себя фотоприемник 9, трансимпедансный предусилитель и каскад полосовых фильтров 10 с узкой полосой пропускания; анализатор сигнала на промежуточной частоте 11, включающего систему оцифровки сигнала 12 и вычислительный блок 13 на основе ПЛИС; реперный канал 14, состоящий из оптической кюветы 15, заполненной исследуемым газом, и блока регистрации сигнала 16; блок управляющей электроники 17.
Описываемое устройство работает следующим образом: гетеродин 1 модулируется пилообразными импульсами тока накачки с помощью блока управляющей электроники 17, что обеспечивает перестройку частоты излучения для охвата спектральной области вблизи измеряемой линии поглощения. Излучение локального осциллятора 1 распространяется по одномодовому кварцевому волокну 2 и разделяется волоконным разветвителем сварного типа 3 на две части, одна из которых идет в реперный канал 14, а другая часть попадает на волоконный разветвитель планарного типа 4. Волоконный разветвитель планарного типа 4 поровну делит пришедшее излучение на две части и отправляет на входы диплексоров 5. Излучение от системы оптических приемных устройств 6 смешивается с излучением гетеродина 1 в системе диплексоров 5 и отправляется к системе аналитических измерительных каналов 8, где на один из каналов попадает смешанное излучение, предварительно модулированное прерывателем 7. В каждом аналитическом канале смешанное излучение регистрируется фотоприемником 9, сигнал с которого усиливается и фильтруется трансимпедансным усилителем и каскадом полосовых фильтров 10. Сигналы аналитических каналов поступают на входы анализатора сигнала на промежуточной частоте 11, где они конвертируются аналого-цифровым преобразователем 12, а затем подаются на входы электронного вычислительного блока на основе ПЛИС 13, где происходит вычисление дисперсии шумовой компоненты регистрируемого сигнала, которая пропорциональна спектральной плотности анализируемого излучения в сканируемом диапазоне частот локального осциллятора 1. Результаты вычислений электронного вычислительного блока на основе ПЛИС 13 передаются на персональный компьютер для усреднения, сохранения и дальнейшей обработки. Стабилизация частоты гетеродина 1 обеспечивается реперным каналом 14 с высокой точностью, где излучение гетеродина 1 через волоконный разветвитель 3 попадает в оптическую кювету 15. С помощью блока регистрации сигнала 16 наблюдается линия поглощения в оптической кювете 15. На основе анализа положения линии происходит стабилизация частоты гетеродина с точностью в диапазоне 2-5 МГц, в зависимости от типа оптической кюветы 15, используемой в устройстве. Регистрация сигнала промежуточных частот осуществляется в узкой полосе предусилителя (в фиксированном диапазоне от 1 до 25 МГц) при сканировании частоты гетеродина 1 в фиксированном диапазоне 10-60 ГГц.
В качестве прерывателя фронта регистрируемого излучения 7, может быть использован волоконный оптический переключатель любого типа, обеспечивающий необходимое быстродействие и степень подавления регистрируемого сигнала в волоконную оптическую систему в перекрытом состоянии. В качестве фотоприемника 9 может быть использовано любое устройство, функционирующее в заданном диапазоне спектра, обладающее чувствительностью, достаточной для регистрации дробовых шумов фототока в полосе промежуточных частот, и внутренней емкостью, обеспечивающей заданную полосу. В качестве гетеродина может быть использован любой одномодовый перестраиваемый лазер с волоконным выводом излучения, диапазон и точность перестройки которого достаточны для обеспечения развертки спектра анализируемого излучения. В качестве кюветы 15 реперного канала 14 может быть использована оптическая кювета любого типа, обеспечивающая необходимый оптический путь для наблюдения интересующей спектральной линии. Дробовой шум фототока должен быть доминирующим источником шумов системы, т.е. должен преобладать над собственными шумами аналитических каналов 8 и над амплитудными шумами гетеродина 1, чтобы обеспечить максимальную чувствительность измерительной аппаратуры.
2
2
В качестве примера конкретной реализации описываемого изобретения может быть представлен многоканальный волоконно-оптический гетеродинный спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона, включающий дважды продублированную схему гетеродинного спекрорадиометра, описанную выше, для одновременного измерения концентрации двух парниковых газов: метана и углекислого газа. Каждая часть спектрорадиометра, отвечающая за измерение отдельного газа, содержит: 1 - диодный лазер с распределенной обратной связью и длиной волны 1,605 мкм для измерения углекислого газа и 1,655 мкм для измерения метана; 2 - одномодовое кварцевое волокно 10/125 мкм; 3 - волоконный разветвитель сварного типа на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм с коэффициентами деления 10/90; 4 - волоконный разветвитель планарного типа на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм; 5 - пару диплексоров, функцию которых выполняют волоконные разветвители сварного типа на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм с коэффициентами деления 10/90; 6 - пару асферических линз диаметром 25 мм и фокусным расстоянием 50 мм; 7 - прерыватель фронта принимаемого излучения на основе микроэлектромеханической системы, интегрированной в компактный корпус с размерами 20×50 мм, с волоконными выводами на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм; 8 - пару аналитических каналов, включающих 9 - InGaAs фотодиод с площадью чувствительной площадки 4 мм и корпусом для монтажа волоконных наконечников типа FC/PC, и 10 - трансимпедансный предусилитель с сопротивлением обратной связи 4 кОм и каскадом полосовых фильтров с полосой пропускания 200 кГц-3 МГц; 11 - анализатор сигнала на промежуточной частоте, включающий 12 - систему оцифровки сигнала, состоящую из 4 аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с разрядностью 8 бит (по два АЦП для измерения каждого газа) и 13 - электронный вычислительный блок на основе ПЛИС серии Cyclone III, который выполняет обработку сигналов одновременно от двух аналитических каналов 8, измеряющих углекислый газ, и двух аналитических каналов 8, измеряющих метан; 14 - реперный канал, включающий 15 - однопроходную оптическую стеклянную кювету длиной 40 мм, заполненную метаном при давлении 1000 Па в канале измерения метана, и 15 - многопроходную оптическую кювету, работающую по принципу регистрации интегрального внутрирезонаторного выходного излучения, длиной 0,3 м и эффективным оптическим путем 30 м, заполненной углекислым газом при давлении 1000 Па, для измерения углекислого газа, а также 16 - блок регистрации сигнала прошедшего через оптическую кювету, состоящий из InGaAs фотодиода с площадью чувствительной площадки 4 мм и трансимпедансного усилителя с сопротивлением обратной связи 1 кОм; 17 - блок управляющей электроники на основе NI-USB-6215.
С помощью разработанного прибора были получены спектры пропускания атмосферы в ближнем инфракрасном диапазоне с линией поглощения метана (Фиг. 2) и углекислого газа (Фиг. 3).
Предлагаемый спектрорадиометр может применяться в составе различных полевых, бортовых и промышленных систем, предназначенных для мониторинга состояния окружающей среды и исследования климата; Изобретение предоставляет информацию о содержании исследуемого газа в атмосфере с высокой точностью и высоким спектральным разрешением. Измеряемые данные обладают высокой информативностью, так как высокое спектральное разрешение позволяет дополнительно извлекать информацию о структуре и динамике атмосферы, а именно о вертикальном распределении концентрации исследуемого газа и о вертикальном профиле проекции скорости воздушных потоков в тропосфере и нижней стратосфере.
Концепция многоканальности наиболее существенна при использовании гетеродинной методики для зондирования атмосферы с орбитальных аппаратов в режиме солнечных затмений, где один наблюдательный сеанс может длиться не более 60 секунд и время для накопления сигнала ограничено.
Источники
1. Патент США № US 8699029 (В2).
2. Патент Китая № CN 106382987 (А).
3. A.E. Siegman, "The antenna properties of optical heterodyne receivers," Appl. Opt. 54(10), 1588-1594 (1966).
4. Патент РФ № RU 121927 (U1).
5. A. Rodin, A. Klimchuk, A. Nadezhdinskiy, D. Churbanov, and M. Spiridonov, "High resolution heterodyne spectroscopy of the atmospheric methane NIR absorption," Opt. Express 22(11), 13825-13834 (2014).
6. E.J. Moyer, D.S. Sayres, G.S. Engel, J.M.St. Clair, F.N. Keutsch, N.T. Allen, J.H. Kroll, and J.G. Anderson, "Design considerations in high-sensitivity off-axis integrated cavity output spectroscopy," Appl. Phys. В 92, 467-474 (2008).