Двухканальный лазерный газоанализатор ИК-диапазона

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для дистанционного обнаружения паров взрывчатых веществ и сопутствующих веществ-маркеров на дистанции от 50 до 100 м.
Уровень техники
Известно устройство (патент RU 2285251 С2 2004 г.), предназначенное для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ, где в случае необходимости одновременного детектирования нескольких молекул, может быть введен, по крайней мере, один дополнительный блок лазерного излучателя, настроенный на другой спектральный диапазон. Однако каждый дополнительный блок разработанного ранее газоанализатора имеет собственную систему коллимации лазерного излучения и оптические оси отдельных блоков излучателей не объединены для формирования объединенного пучка света, имеющего несколько длин волн.
2
2
Наиболее близким к предлагаемой модели является изготовленный ранее макет дистанционного детектора (подробно описан в работе Г.В. Сакович, А.И. Чернов, С.В. Силантьев и др. "Макет дистанционного детектора взрывчатых веществ на основе изотопного CO-лазера", Ползуновский вестник, 2010. №4-1, с. 38-46). Работа макета основана на методе дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии, где носителем информации является эхо-сигнал рассеянного на мишени лазерного излучения. Указанный макет содержит блок лазерного излучения с CO лазером на 13 изотопе углерода, длина волны (11.2 мкм) которого попадает в центр полосы поглощения триацетонтрипероксида (ТАТП), линзовый коллиматор, использующий оптику с нанесенным просветляющим покрытием на длину волны зондирующего лазера, блок приема аналитического сигнала с зеркальным телескопом, оптически соединенный с блоком лазерного излучения через диффузно отражающую мишень, а также блок регистрации и обработки данных. Недостаток указанного макета: при использовании только одной частоты зондирующего излучения от одного не перестраиваемого лазера не удается сделать прибор с высокой селективностью и сколько-нибудь широким набором детектируемых ВВ.
Раскрытие сущности ПМ
Целью разработки данной полезной модели является создание компактного дистанционного оптического лазерного газоанализатора, способного работать с более широким набором детектируемых ВВ и обеспечивать большую селективность анализа, благодаря расширению диапазона длин волн генерации и области перестройки, а также увеличению числа каналов регистрации поглощения на трассе с изменяемой дистанцией 50÷100 м.
13
16
2
Работа модели основана на физическом методе дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии. Устройство содержит блок лазерного излучения, блок приема излучения, а также блок обработки данных и управления. Блок лазерного излучения и блок приема излучения не соосны, но оптически связанны через диффузно отражающую мишень. В отличие от прототипа, блок лазерного излучения газоанализатора содержит два источника зондирующего излучения: перестраиваемый в диапазоне 10.99÷11.4 мкм изотопный CO-лазер и перестраиваемый в диапазоне 7.1÷7.6 мкм квантово-каскадный лазер (ККЛ). Излучение двух лазеров фокусируется на диффузно отражающую мишень с помощью одного перестраиваемого коллиматора, состоящего из вогнутого и выпуклого сферических зеркал. Отраженное от мишени излучение, собранное зеркальным объективом, формирует аналитический сигнал, который регистрируется блоком приема, связанного с блоком обработки данных и управления.
Блок обработки данных и управления обеспечивает передачу, обработку и хранение данных, управление работой шаговых двигателей линейных трансляторов подфокусировки коллиматора и объектива, управление работой зондирующих лазерных источников - изменение частоты следования импульсов, мощности, перестроение длины волны зондирующего излучения.
Автоматическая подфокусировка блока лазерного излучения на дистанцию до диффузно отражающей мишени (50÷400 м) обеспечивается передвижением вторичного зеркального компонента коллиматора вдоль оптической оси, используя линейный транслятор с шаговым двигателем.
Автоматическая подфокусировка блока приема излучения осуществляется перемещением оптического компенсационного клина с помощью двухкоординатного линейного транслятора с шаговыми двигателями. Включение в оптическую схему перемещаемого компенсационного клина позволяет, в зависимости от дистанции до диффузно отражающей мишени, проецировать пятна принимаемого сигнала, не выходя за пределы фоточувствительных площадок двух разнесенных, закрепленных стационарно фотоприемников.
Разделение пучков лазерного излучения производиться плоскопараллельной пластиной с нанесенным на нее просветляющим слоем для рабочих длин волн одного из лазеров.
Дополнительно для обеспечения точного наведения газоанализатора на диффузно отражающую мишень, блок лазерного излучения оснащен диодным лазерным излучателем видимого диапазона (длина волны 0.532 мкм).
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена блок-схема газоанализатора, содержащая: блок лазерного излучения (1), включающий зондирующие лазеры и лазер точного наведения; коллиматор (2); блок приема излучения, включающий приемный объектив (3) и фотоприемный модуль (4); блок обработки данных и управления, включающий плату АЦП (5) и компьютер (6); несущую конструкцию - оптическую плиту (7).
На фиг. 2 представлена оптическая схема газоанализатора, содержащая: блок лазерного излучения, состоящий из трех источников излучения (8, 9, 10) и зеркального коллиматора (11); диффузно отражающую мишень (12); блок приема излучения, представляющий собой зеркальный объектив Кассегрена (13) с фотоприемным модулем состоящим из компенсационного клина (14), делительной плоскопараллельной пластины и двух фотоприемников (15), охлаждаемых азотом с использованием системы Стерлинга. Каждый фотоприемник фотоприемного модуля имеет максимальную чувствительность на длине волны, соответствующей основной длине волны одного из лазеров. Излучение зондирующих лазеров распространяется симметрично относительно оптической оси. Кроме этого, излучение зондирующих лазеров равноудаленно от видимого излучения диодного лазера.
На фиг. 3 приведена иллюстрация виньетирования изображения пятен принимаемого эхо-сигнала. Объектив блока приема излучения сфокусирован на дистанцию 75 м. При этом оптические оси блока лазерного излучения и блок приема излучения пересекаются так же на дистанции 75 м. По этой причине при зондировании на дистанциях отличных от 75 м изображения пятен принимаемого эхо-сигнала перемещаются, что вызывает виньетирование на площадках фотоприемников.
На фиг. 4 показан метод исключения виньетирования пятна от зондирующих лазеров на чувствительной площадке фотоприемников. Для исключения виньетирования за приемным объективом размещают компенсационный клин, изготовленный из Германии.
Принцип работы ПМ
Устройство работает следующим образом. Зондирующее излучение лазерных источников (поз. 1 на фиг. 1; поз. 8 и 9 на фиг. 2) с помощью зеркального коллиматора (поз. 2 на фиг. 1; поз. 11 на фиг. 2) фокусируется на диффузно отражающую мишень (поз. 12 на фиг. 2) и, отразившись от нее в обратном направлении, собирается объективом (поз. 3 на фиг. 1; поз. 13 на фиг. 2), и регистрируется фотоприемниками фотоприемного модуля (поз. 4 на фиг. 1; поз. 15 на фиг. 2). Излучение лазера наведения (поз. 10 на фиг. 2) позволяет навести устройство точно на диффузно отражающую мишень. В процессе измерения зондирующие лазеры перестраиваются по длине волны излучения. Такой перестройкой формируется спектр эхо-сигналов в диапазоне рабочих длин волн зондирующих лазеров. При появлении на трассе зондирования облака ВВ (или вещества-маркера ВВ) спектр эхо-сигналов будет содержать в себе характерные «провалы». «Провалы» вызваны поглощением лазерного излучения веществом. Длина волны, на которой в спректре появился «провал», специфична для каждого вещества. Компьютерное сравнение спектров эхо-сигналов на специфических для данных веществ длинах волн на «чистой» трассе зондирования и в присутствии на трассе молекул ВВ (или вещества-маркера ВВ) позволяет газоанализатору работать в автоматическом режиме.
Преимущества предложенного газоанализатора заключаются в том, что разработанная оптическая схема прибора, являясь единой для двух излучателей, позволяет создать достаточно компактный прибор. Использование двух перестраиваемых лазеров ИК-диапазона позволяет определить присутствие в атмосфере как паров стандартных, так и суррогатных ВВ и повысить их селективность за счет перестройки длины волны излучения, что позволяет зарегистрировать такую спектральную особенность молекул ВВ (или вещества-маркера ВВ), которая не похожа на спектральную особенность любых других молекул. Использование зеркальной оптики в передающей и приемной системах газоанализатора позволяет использовать различные источники излучения и фотоприемники, что способствует развитию новых эффективных подходов создания комбинированных систем, основанных на применении различных лазерных технологий для обнаружения ВВ.