Спектрорадиометр

Полезная модель относится к области оптического приборостроения и может быть использована при создании приборов для определения состава газовой среды атмосферы, в частности, в условиях скудно-насыщенных газовых потоков с малой концентрацией изучаемых веществ. Она позволяет длительно автономно (в автоматическом режиме) производить запись информации спектральных характеристик с последующей обработкой на персональном компьютере, ноутбуке и другой технике с визуализацией результатов измерений. Это делает возможным соотносить спектроэнергетические характеристики газовых составляющих с эталонным излучением чистой атмосферы при экологических обследованиях в опасных производственных зонах в замкнутых пространствах и при исследовании окружающей среды.
Известен спектрорадиометр [RU 2276336, C1, G01J 3/28, 10.05.2006], включающий оптически сопряженные входной объектив, монохроматор, построенный по схеме Уолша, и приемник излучения, причем, в известном устройстве зеркало Литтрова зафиксировано в положении, обеспечивающем вписывание полного изображения исследуемого спектра внутри выходной щели монохроматора, в плоскости которой размещено сканирующее устройство, включающее непрозрачный элемент, сканирующий в направлении дисперсии.
Недостатком устройства является относительно низкая точность спектральных измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является спектрорадиометр [RU 203288, U1, G01J 3/28, 30.03.2021], содержащий телескоп, приемник излучения, интерферометр Майкельсона, первый оптический вход которого соединен с выходом телескопа и который выполнен с возможностью подачи на второй оптический вход излучения лазера, а выход соединен с оптическим входом приемника излучения, а также электродвигатель, выход которого соединен со входом управления интерферометра Майкельсона, и соединенный с выходом приемника излучения блок обработки информации, выполненный с возможностью отображения спектра сигнала и его характеристик на средствах отображения спектра.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая чувствительность прибора и относительно низкая точность измерений.
Задача, которая решается в полезной модели, заключается в создании спектрорадиометра, позволяющего производить регистрацию и измерение состава газовой среды атмосферы с более высокой чувствительностью и точностью.
Техническим результатом, получаемым от внедрения полезной модели, является повышение чувствительности и точности измерений.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее телескоп, приемник излучения, интерферометр Майкельсона, первый оптический вход которого соединен с выходом телескопа, второй оптический вход выполнен с возможностью приема излучения лазера, а первый оптический выход соединен с оптическим входом приемника излучения, привод зеркала, выход которого соединен со входом управления интерферометра Майкельсона, а также блок обработки информации, выполненный с возможностью отображения спектра сигнала и его характеристик на средствах отображения спектра, согласно полезной модели, ведены микроконтроллер, первый вход которого через аналого-цифровой преобразователь и усилитель сигнала приемника излучения соединен с выходом приемника излучения, светодиод, оптический вход которого соединен со вторым оптическим выходом интерферометра Майкельсона, а выход через усилитель сигнала светодиода соединен со вторым входом микроконтроллера, выход которого соединен с управляющим входом привода зеркала.
Кроме того, технический результат достигается тем, что микроконтроллер выполнен с возможностью подключения карты микро-SD (флешке).
Кроме того, технический результат достигается тем, что блок обработки информации, выполненный с возможностью отображения спектра сигнала и его характеристик на средствах отображения спектра, выполнен в виде ноутбука, соединенного через USB - интерфейс к информационному порту микроконтроллера.
На чертеже представлена функциональная схема спектрорадиометра совместно с картой микро-SD, лазером и средством отображения спектра.
На чертеже обозначены:
1 - микроконтроллер;
2 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
3 - карта микро-SD;
4 - USB-интерфейс;
5 - приемник излучения;
6 - усилитель сигнала ИК-приемника;
7 - привод зеркала;
8 - средства отображения спектра;
9 - лазер;
10 - светодиод;
11 - усилитель сигнала светодиода;
12 - интерферометр;
13 - телескоп.
Работает спектрорадиометр следующим образом.
Излучение исследуемого объекта через телескоп 13 попадает в интерферометр 12, где интерферирует и выводится на ИК-приемник 5. Интерферометр Майкельсона в частном случае выполнен с диаметром светоделителя, равного 45 мм, и светокомпенсатором. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2 после усиления в усилителе 6 оцифровывает этот сигнал. Метки запуска АЦП привязаны по времени к перемещению зеркала интерферометра 12, которое управляется приводом 7. Метка формируется всякий раз, когда зеркало проходит путь в четверть длины волны He-Ne лазера, излучение которого также проходит через интерферометр 12 и дает на выходе последнего синусоидальный сигнал, принимаемый светодиодом 10 и усиливаемый усилителем 11. АЦП 2 запускается, когда синусоида проходит через нулевое значение. Микроконтроллер 1 принимает данные АЦП 2 и пересылает их для хранения в карту 3 микро-SD и одновременно (в стандартном режиме) в средство 8 отображения спектра (ноутбук, PC-компьютер) через USB-интерфейс 4.
-1
Микроконтроллер 1 также управляет приводом 7 зеркала интерферометра 12. В стандартном режиме число отсчетов АЦП 2 обычно задается согласно значению спектрального разрешения от 2 до 64 см. В автономном режиме число отсчетов АЦП 2 фиксированное и соответствует спектральному разрешению, равным 2 (8к отчетов). Данные АЦП 2 в этом режиме в средство 8 отображения спектра во время регистрации не поступают. Они могут быть считаны либо через кардридер, или через интерфейс 4, по окончании автономной работы в темпе, в котором они были записаны на карту 3 микро-SD при регистрации (около миллиона записей при объеме карты 32 ГБайта).
Запуск АЦП 2 происходит по меткам перехода через ноль сигнала светодиода 10, прошедшего через усилитель 11. Источником интерференционного излучения, падающего на светодиод 10, является сигнал He-Ne лазера 9, прошедший через интерферометр 12. Отображение спектра запоминается либо на электронном носителе (флэшке) и совмещается с программным обеспечением на средствах отображения спектров, либо непосредственно с помощью программы на мониторе средств 8 отображения спектров (на компьютере или ноутбуке, или на других средствах отображения).
-1
Таким образом, благодаря предложенной конструкции спектрорадиометра, достигается требуемый технический результат, который заключается в повышении чувствительности и точности спектральных измерений, поскольку микроконтроллер 1, который управляет приводом 7 зеркала интерферометра 12 и обеспечивает высокое значение спектрального разрешения от 2 до 64 см.