Способ градуировки лидара

Изобретение относится к дистанционной лазерной спектроскопии, в частности к способам градуировки лидаров, предназначенных для дистанционного исследования и контроля загрязнений и экологического состояния атмосферы и гидросферы, и может быть использовано для повышения точности и достоверности детектирования химических веществ и соединений методами лазерной спектроскопии, а также в метрологии для градуировки и поверки приемных каналов лидаров по длинам волн.

Основу спектрально-оптических исследований окружающей среды составляют методы получения спектральных откликов компонентов, которые в зависимости от вида применяемого источника излучения могут быть результатом процессов поглощения, флуоресценции и комбинационного (рамановского) рассеяния химическими веществами и соединениями. Идентификация контролируемых веществ осуществляется на основе банка спектральных характеристик, относящихся к определенному комплексу компонент окружающей среды и соответствующих тому или иному типу из указанных процессов взаимодействия излучения с веществом. Сигналы обратного рассеяния, попадающие в приемный канал, содержащий полихроматор и детектор, имеют большой динамический диапазон, достигающий 10¹³.

Лазерная спектроскопия позволяет исследовать вещества на атомно-молекулярном уровне с высокой чувствительностью, избирательностью, пространственным, спектральным и временным разрешением. Преимущество лазеров над некогерентными источниками света заключается в возможности достижения большой спектральной плотности мощности ответных сигналов, что значительно уменьшает проблемы шумов, вызванных фоновым излучением или шумами приемников. В целом обнаружительная способность аппаратуры, в частности, используемой для дистанционных измерений, определяется спектральным разрешением и чувствительностью приемных каналов, способных работать с различным уровнем сигналов.

Известен способ градуировки электромагнитного излучения фильтрующего устройства (US №6420695, опубликовано 16.07.2002), где используется настраиваемый интерферометр Фабри-Перо. В этом способе используется настройка в интерферометре спектрального преобразования на основе установленного соотношения между центральной длиной волны и физическим параметром, в данном случае напряжением. При калибровке используются линий поглощения CO₂.

Недостаток аналога состоит в необходимости использования эталонных образцов исследуемых элементов.

Известен способ градуировки спектрометра (патент РФ №2400715, МПК G01J 3/453, опубликовано 27.09.2010), в котором выбирают спектральную схему из записанного спектра компонентов атмосферного воздуха, находящегося в спектрометре, и определяют зависящее от длины волны значение позиции для характеристики, такой как центр указанной спектральной схемы. Это значение сравнивают с эталонным значением, которое может быть получено из спектра, записанного контрольным прибором, и может быть получена формула градуировки. При калибровке также используются линии поглощения двуокиси углерода.

Недостатком аналога является необходимость использования для освещения градуируемого прибора внешнего источника, излучающего лишь на одной длине волны, требуемой для одного, определенного газообразного вещества, например CO₂. К недостаткам приведенных аналогов также можно отнести то, что

- эти способы не обеспечивают градуировку приборов в широком диапазоне спектра, от ультрафиолетовой до инфракрасной областей спектра,

- для определенного эталонного образца или газообразного компонента в сложной смеси веществ требуется несколько лазеров или оптических фильтров, каждый из которых соответствует конкретной длине волны,

- низкая интенсивность излучения используемых для градуировки приборов внешних источников, что не позволяет градуировать приемный канал приборов в большом перепаде величин эхо-сигналов (спектральных откликов),

- источники низкоинтенсивного излучения не пригодны для проведения градуировки приборов в полевых условиях в условиях внешних фоновых засветок,

- градуировка осуществляется для химических веществ, характерные спектральные линии которых существенно разнесены по шкале длин волн, что вызвано низкой селективной способностью градуируемого прибора.

Известна установка для измерения спектров флуоресценции нефтяных загрязнений, содержащая внешний источник освещения, полихроматор и матричный детектор, в которой градуировку по длинам волн осуществляют путем освещения ртутно-аргоновой лампой с линейчатым спектром. (Федотов Ю.В., Матросова О.А. - Экспериментальная установка для измерения спектров флуоресценции нефтяных загрязнений и различных подстилающих поверхностей. / Вестник 108 МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Приборостроение». 2012. С. 107-114).

Недостатками метода градуировки данного аналога, работающего в диапазоне 295…740 нм, является, с одной стороны, освещение полихроматора и матричного детектора ограниченным набором дискретных длин волн УФ и видимой областей спектра (253,65; 435,85 и 696,54 нм) и, с другой, - градуировка годна лишь для полихроматора с невысокой разрешающей способностью (5 нм). Основные сложности метода связаны с зависимостью спектров флуоресценции от различных внешних факторов, в частности от фоновых засветок. К тому же ртутно-аргоновая лампа обладает низкой интенсивностью излучения на каждой дискретной спектральной линии, что не позволяет использовать подобный метод для градуировки приборов, детектирующих сигналы в большом диапазоне изменений спектральной яркости, особенно в полевых условиях. Таким образом, приведенный аналог также не позволяет осуществлять градуировку приемных каналов лидаров, осуществляющих дистанционное детектирование приемных сигналов в реальных условиях воздействия фоновых засветок.

Наиболее близким к заявляемому изобретению, по совокупности признаков принятым в качестве прототипа является способ освещения устройства, содержащего внешний источник освещения, оптический фильтр, полихроматор и детектор-регистратор (патент РФ №2142619, МПК G01N 21/64, опубликовано 10.12.1999). В нем освещение полихроматора осуществляют высокомонохроматичным лазерным излучением, а интенсивность освещения ослабляют с помощью оптического фильтра.

Недостатки прототипа, регистрирующего спектры флуоресценции, состоят в том, что, с одной стороны, для освещения используют высокомонохроматичное лазерное излучение лишь на одной длине волны, а с другой - оптический фильтр, установленный между источником лазерного излучения и полихроматором, имеет фиксированное значение спектрального пропускания, что не позволяет в процессе проведения градуировки регулировать в широком динамическом диапазоне интенсивность освещения. Кроме того, для освещения используют лазерное излучение малой мощности. Отмеченные недостатки прототипа не позволяют градуировать лидары, предназначенные для детального анализа спектральных признаков объектов и компонентов окружающей среды на больших расстояниях и способные детектировать эхо-сигналы (спектральные отклики) в широком диапазоне их величин, в том числе в полевых условиях.

Задачей, на решение которой направленно заявляемое изобретение, является существенное расширение количества (дискретных) длин волн и повышение монохроматичности лазерного излучения в автономном внешнем источнике, пригодном для градуировки различных типов лидаров, обладающих необходимыми уровнями спектрального разрешения и чувствительности для обнаружения и распознавания искомых химических веществ и соединений.

Технический результат от использования изобретения состоит в обеспечении градуировкой по длинам волн широкого класса лидаров, действующих по схеме абсорбционной, флуоресцентной или рамановской спектроскопии с высоким спектральным разрешением на основе использования излучения от одного внешнего лазерного источника.

Для достижения этого результата в способе градуировки лидара, заключающемся в поочередном освещении внешним источником излучения на разных длинах волн приемного канала, содержащего полихроматор и матричный детектор, согласно изобретению, освещение приемного канала осуществляют мультиспектральным высокомонохроматичным лазерным излучением, на дискретных длинах волн в диапазоне от УФ до ИК области спектра, которое формируют в перестраиваемом титан-сапфировом лазере, кроме того, изменение интенсивности освещения приемного канала в динамическом диапазоне 10¹² осуществляют с использованием многоступенчатого оптического ослабителя, установленного на выходе внешнего источника излучения.

Способ осуществляется следующим образом.

Для проведения операции градуировки рамановского лидара по длинам волн используют источник с хорошо известным линейчатым спектром. В заявляемом способе лазерный источник генерируют на паспортизованных дискретных спектральных линиях, выставляемой на его шкале длин волн, с шириной, сопоставимой с атомными спектральными линиями, недостижимой для любого интерференционного фильтра. При облучении приемного канала лидара спектры регистрируются, и запоминаются номера каналов регистрирующей системы N_j, на которых обнаруживаются локальные максимумы отсчетов. В матричном детекторе содержится N линеек, каждая из которых является локальных каналом. Им (линейкам) сопоставляются паспортные значения регистрируемых длин волн _j. Облучение проводят в широком диапазоне интенсивностей, особенно с учетом эксплуатации лидара в полевых и различных погодных и климатических условиях.

В процессе проведения градуировки рамановского лидара детекторы соответствующих локальных каналов полихроматора должны работать в линейном режиме. Интенсивность входных сигналов ослабляют с помощью оптического фильтра, установленного в приемном канале. В то же время применительно к задачам использования рамановского лидара в полевых условиях и для обнаружения объектов, удаленных на значительные расстояния, имитацию, или моделирование, влияния среды распространения на спектрально-энергетические характеристики обратно рассеянных сигналов корректно проводить в широком диапазоне интенсивностей излучения внешнего высококогерентного источника, используемого для градуировки лидара по длинам волн. С этой целью в заявляемом способе многоступенчатый оптический ослабитель устанавливают на выходе внешнего источника излучения.

Реализация перечисленных факторов заявляемого способа градуировки лидара по длинам волн достигается за счет уникальности современного титан-сапфирового лазера, состоящей в наиболее широких полосах перестройки по дискретным длинам волн его мультиспектрального излучения в диапазонах 690-1000 нм, 350-600 нм, 230…330 нм и 210…235 нм. Причем ширину линии генерации в лазере можно устанавливать узкой (0.1 нм) и ультраузкой (0.005 нм в схеме с интерферометром Фабри-Перо).

Высокая спектральная яркость излучения от УФ до ИК области надежно обеспечивает высокую точность и достоверность градуировки по длинам волн лидаров с гипер/ультраспектральным разрешением, в том числе в условиях сильных фоновых помех.

Для варьирования интенсивности излучения на выходе титан-сапфирового лазера устанавливают многоступенчатый оптический ослабитель (барабанного типа), способный ослаблять интенсивность лазерного в пределах 12-ти порядков.

Требуемый результат, увеличение точности и достоверности градуировки лидара по длинам волн - достигается за счет комплексного использования интенсивного мультиспектрального высоко-монохроматичного лазерного излучения при освещении приемных каналов, содержащих полихроматор и матричный детектор.

Способ градуировки лидара по длинам решает следующие функциональные задачи по назначению:

1. Освещает приемный канал лидара одновременно на длинах волн в УФ, видимой и ИК областях.

2. Формирует лазерное излучение на чрезвычайно большом количестве дискретных длин волн, соответствующих спектральным откликам веществ и химических соединений, спектральные характеристики которых функционально содержатся в заложенной базе данных лидара.

3. Осуществляет освещение приемного канала высокомонохроматичным излучением на ультраузких длинах волн.

4. Обеспечивает градуировку в широком диапазоне изменений интенсивности лазерного излучения при освещении приемного канала.

5. Пригоден для использования внешнего источника мультиспектрального высокомонохроматичного излучения в полевых условиях.

6. Повышает точность и достоверность детектирования химических веществ и соединений методами лазерной спектроскопии.