АКУСТООПТИЧЕСКИЕ СПЕКТРАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ
, ,
НОЦ “Фотоника и ИК техника” МГТУ им.
perchik@bmstu.ru
Ключевые слова: акустооптика, спектроскопия, спектрометры, мониторинг.
Аннотация: Обсуждаются акустооптические спектральные средства для мониторинга атмосферы.
Задачи мониторинга и контроля окружающей среды становятся все более актуальными с развитием технологий и увеличением числа связанных с этим рисков и их качественного разнообразия. Постоянно повышается значимость своевременного обнаружения угроз и чрезвычайных ситуаций, признаков отклонений процессов от нормы. Соответственно становятся актуальны методы и аппаратура мониторинга, удовлетворяющие требованиям высокой обнаружительной способности и избирательности и обеспечивающие возможность непрерывного автономного контроля состояния объектов, в том числе с борта мобильных средств, и возможность автоматической обработки информации (для снижения нагрузки на каналы связи и уменьшения времени обнаружения).
Несмотря на разнообразие разработанных приборов проблемы их использования остаются, в частности для каждой задачи зачастую разрабатывается свой прибор. В этом случае каждая задача решается индивидуально, что ведет к удорожанию аппаратуры, задержке сроков разработки, несопоставимости данных, получаемых с разных приборов, необходимости разработки индивидуальных методик измерения, анализа, калибровки.
Все это делает актуальной разработку универсальной платформы для создания приборов дистанционного зондирования и исследования атмосферы. Данный подход предполагает создание семейства устройств (датчиков), для которых адаптация под конкретную задачу производилась бы путем настройки параметров. Такие устройства должны создаваться на единой основе, подходящей для решения максимального числа прикладных задач. В качестве основы целесообразно использовать акустооптические спектральные устройства [1,2].
Акустооптические устройства основаны на управлении характеристиками кристаллической среды (коэффициентом преломления) с помощью ультразвуковой волны. Для света такая структура играет роль дифракционной решетки. Управляя параметрами возбуждаемой акустической волны можно изменять параметры дифрагированного света, в частности, длиной волны прошедшего через дифракционный элемент излучения. На рис.1 представлены разные варианты построения акустооптических монохроматоров.
Рис. 1. Акустооптические монохроматоры на основе коллинеарной и неколлинеарной дифракции
(1 – кристаллическая среда, 2 и 3 – поляризаторы, 4 – ультразвуковой излучатель)
Использование акустооптических устройств дает следующие преимущества [3].
Акустооптические фильтры перестраиваются электрическим сигналом, в них нет механически перемещаемых частей, откуда следует их невосприимчивость к механическим перегрузкам и способность работы в широком диапазоне условий эксплуатации по температуре, давлению, влажности и др. Они компактны, обладают малым электрическим потреблением, не требуют юстировки, подходят для эксплуатации в полевых, космических и подводных условиях.
Акустооптические фильтры обладают высокой светосилой и достаточно высоким для задач мониторинга окружающей среды спектральным разрешением, но достаточно широкой полосой для работы в условиях естественного освещения, то есть не требуют использования дополнительных узкополосных источников излучения большой яркости (лазеров).
Для увеличения спектрального разрешения и повышения спектрального контраста (степени подавления излучения вне полосы пропускания) целесообразно применение двойных акустооптических монохроматоров, состоящие из пары последовательно расположенных идентичных АО фильтров. АО ячейки для двойных монохроматоров получают с помощью специальной технологии из одной кристаллической заготовки, что позволяет компенсировать искажения изображений, вызываемые одним АО фильтром. Кроме того, двойные монохроматоры обеспечивают на порядок более высокий спектральный контраст АО фильтров.
АО спектральные устройства могут использоваться в качестве мобильных многофункциональных (перенастраиваемых) спектральных детекторов для получения гиперспектральной информации и быстрой (в реальном времени) избирательной регистрации любой спектральной выборки с высоким пространственным разрешением. В качестве информативных величин могут быть линии поглощения атмосферных газов (H2O, CO2, O3), а также контролируемых газов-загрязнителей атмосферы. Для этого разработаны и обоснованы алгоритмы оптимального, адаптивного изменяемого выбора спектральных каналов на основе теории спектроскопии с произвольной спектральной адресацией [4].
Для примера приведены графики спектров рассеянного в атмосфере излучения со спектрометров на основе АО фильтров видимого и ближнего инфракрасного диапазона (рис. 2), которые демонстрируют, в частности, чувствительность метода к кислороду и влаге.
Рис. 2. Спектры атмосферного воздуха в видимом и ИК (0,9-1,7 мкм) диапазоне,
полученные портативными АО спектрометрами
V. I.Pustovoit, V. E.Pozhar. Acousto-optical spectrometers for Earth remote sensing // Proc. SPIE, 1999, v. 3750, p. 243-249. , , и др. Современные средства и методы акустооптической спектрометрии // Успехи современной радиоэлектроники. 2007, в.8, с. 48-56. Акустооптические процессоры спектрального типа / под ред. , . - М.: Радиотехника, 20с. , . Особенности использования акустооптических спектрометров в задачах мониторинга атмосферного воздуха // Успехи современной радиоэлектроники. 2008, в. 12, с.53-59.