Способ дистанционной регистрации газообразных объектов

 

Изобретение относится к области днстанционной регистрации газообразных объектов по длинноволновым ИК-спектрам излучения .молекул и может быть использовано для обнаружения и идентификации веществ в астрофизических объектах, атмосферах Земли и планет и др. газообразованиях. CyuiecTBO способа заключается в том, что одновременно регистрируют не менее двух эквидистантно расположенных линий вращательного спектра осесимметричной (линейной и двухатомной) молекулы, которая характерна для исследуемого объекта. Особенность регистрации состоит в детектировании суммарного сигнала, обусловленного интенсивностью указанных линий за вычетом интенсивности сплошного спектра. I з.п. ф-лы, 2 ил. с (Л со а со с® с: со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 (: 01 И ? 1/63

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

- ° peal hap $ юе . - "- -1-.td.1ЯД

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (46) 23,09,91. I ьхп. 1"- 35 (21) 3979945/25 (22) 25.11.85 (71) Институт космических исследований

АН СССР с (72). Г. Б. Шоломицкий, В. М. Балебанов и М. И. Бархатов (53) 535.375.5 (088.8) (56) Якушенков Ю. Г. Основы оптико-электронного приборостроения. М.: Советское радио, 1977, с. 209 — 222.

Storey 1. W. Ч.,%а1зоп D. М., Townes S. H., Observations of farinfra red fine structure

fines ОН1 88,35 microns and О1 63,2 microns.—

As горйуз J:, 1979, ч. 233, р. 109 — 118., (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ РЕГИСТРАЦИИ .ГАЗООБРАЗНЫХ ОБЪЕКТОВ

„„Я0„„1363969 А1 (57) Изобретение относится к области дистанционной регистрации газообразных объектов по ллинноволновым ИК-спектрам излучения молекул и может быть использовано лля обнаружения и идентификации веществ в астрофизических объектах, атмосферах

Земли и планет и др. газообразованиях.

Существо способа заключается в том, что олновременно регистрируют не менее лвух эквидистантно расположенных линий вращательного спектра осесимметричной (линейной и двухатомной) молекулы, которая характерна для исследуемого объекта. Особенность регистрации состоит в детектировании суммарного сигнала,,обусловленного интенсивностью указанных линий за вычетом интенсивности сплошного спектра. I з.п. ф-лы, 2 ил.

1363969

Изобретение относится к области обнаружения и идентификации газообразных веществ в астрофизических объектах, атмосферах Земли и планет и др. удаленных объектах методами дистанционной оптической спектроскопии в длинноволновой ИК-области спектра.

1(елью изобретения является повышение надежности обнаружения, сокращение времени измерений и обеспечение возможности регистрации протяженных газообразных объектов, содержащих линейные и двухатомные молекулы.

Существо способа заключается в том, что обнаружение и идентификация газообразных объектов осуществляется путем одновременной регистрации двух или более эквидистантно расположенных линий вращательного спектра осесимметричной (линейной и двухатомной) молекулы, которая характерна для исследуемого объекта.

Особенность регистрации состоит в обеспечении возможности выделения полезного сигнала как на стадии узкополосной фильтрации не менее чем в двух спектральных интервалах и модуляции длины волны, так и при .преобразовании излучения в сигнал, детектируемый синхронно с модуляцией по длине волны, причем изменение полярности внешнего сигнала осуществляют переключением фазы модуляции на 180 с одновременным быстрым переходом на участок сравнения непрерывного спектра.

На фиг. 1 изображены спектральные составляющие сигнала, обусловленного регистрацией одной линии вращательного спектра; на фиг. 2 — одновременно трех линий.

На фиг. 1 (а и б) 1 — линия вращательного спектра, 2 и 3 — непрерывный спектр внешнего сигнала (объекта и фона) и собственного излучения при операциях фокусировки, фильтрации и модуляции, 4 и 5— предварительная фильтрация, 6 — максимум интерференции узкополосной фильтрации, 7 — интервал регистрации спектра с линией в центре. При вычитании сигналов, зарегистрированных со смещением полей зрения на фиг. 1 (а и б), фон приборного происхождения 3 (заштрихован) взаимно уничтожается, но неоднородность внешнего фона остается (причем удваивается). Остаются также и регистрируются в, виде шумов его флуктуации и фотонный шум.

На фиг. 2а .кривая 8 — предваритель- ная спектральная фильтрация одновременно трех вращательных линий 1 и их селекция и модуляция по длине волны до и после инвертирования фазы модуляции (положения инструментальных профилей 9 — 10 и 9—

I1 соответственно), а на фиг. 26 9-спектральный эквивалент результирующего выходного сигнала, в котором сигнал в 2--3 раза больше (при некотором результирующем значении температуры газа), а шум по крайней мере в 2,3 раза меньше, чем при регистрации одной линии.

5 Примером конкретного выполнения предл а гаемого способа является фокусировка излучения около длины волны 4 при помощи телескопа (объектива), охлажденного до температуры ниже T=hc/4Kb 3500/)ь (Ь и К вЂ” постоянные Планка и Больцмана, с — скорость света, 4 — макснмальная длина волны в микрометрах). Рабочей длине волны 5=100 мкм соответствует охлаждение телескопа ниже 35 К, устраняющее приборный фон и фотонный шум при измере15 ниях на фоне космоса и дающее возможность при охлаждении всех оптических элементов включить в полосу предварительной фильтрации несколько молекулярных линий.

Их одновременная селекция реализуется интерферометром Фабри-Перо /ИФП) с макси20 мумами пропускания на длинах волн

2(Ь +ьу |и)

m где g — период металлосеточных отражателей; °

w — множитель, слабо зависящий от их коэффициента заполнения;

d — расстояние (точнее оптическая длина пути) между отражателями;

30 m — порядок интерференции.

Для точной настройки на вращательные линии линейной (двухатомной) молекулы, имеющей вращательную постоянную В и длины волн вращательных линий

С

35 Х вЂ” „ (2) подбирается число n=m/Ó=1/3, 1/2, I, 2, 3, При n)1 максимумы пропускания ИФП расположены по спектру чаще, чем враща,тельные линии, при п(1 —. реже, то есть используются не все линии, а при п=1 каждой вращательной линии молекулы со- ответствует свой максимум пропускания

ИФП. Конкретный выбор зависит от мо45 лекулы (от В), фоновых условий и задач эксперимента. Например, для молекулы славиковой кислоты (HF) Х» 240 мкм/Ю и три линии на фиг. 2 — это 1 =120 мкм, Хз=

=80 мкм и 1<=60, мкм. Модуляция при этом производится периодическим изменени50 ем величины зазора с(формула (1).например, на интервал М=З мкм. Тогда интервалы модуляции для трех линий нашего примера будут ЛХ=2Лд/m, то.есть 3 мкм, 2 мкм и 1,5 мкм для m=2,3,4 соответственно .

При наблюдениях быстропеременных ra.

55 зообразных объектов на нерегулярном пространственном и спектральном фоне, а также при работе в низких порядках ИФП и большом интервале модуляции ЛА„„точность регистрации может понизиться вслелствие малой контрастности спектральных линий или может сильно возрасти оценка погрешности flo двум отсчетам линии относительно разных участков сравнения нерегулярного непрерывного спектра. Контрастность может быть повышена в следуюьцем варианте способа: излучение после предварительной фильтрации разлеляют по признаку линейной поляризации на лвя ортогонально поляризованных пучка, в каждом из этих пучков производят узкополосную селекцию и модуляцию только своей, соответствующей поляризации, причем модуляция в двух пучках выполняется в противофазе и относительно участков сравнения, прилежащих к линии с противоположных сторон, затем пучки вновь объединяют и преобразовывают в один электрический сигнал. Конкретно разделение и объединение пучков выполняется одномерными металлопроволочными или металлосеточными решетками практически без потерь, поскольку фактор эффективности этих операций, равный

К,<1 — К.> <1+, 1„+, З> где R,и R. — коэффициенты отражения волн с Е-поляризацией, соответственно параллельной и перпендикулярной щелям металлической решетки; а и Ь вЂ” постоянные, характеризующие решетку, I стремится к единице для достаточно длинных волн.

По сравнению с известным способом, имеющим время цикла 80 с, можно регистрировать переменное излучение аналогичных молекул за время Ь 10 раз меньше;

5)< 2,5

Э где фактор 5 — прямой выигрыш во времени, фактор 2,5 — эквивалентный выигрыш во времени из-за увеличения сигнала при одновременной регистрации нескольких линий, а фактор 3 принят в качестве минимального числа отсчетов лля сравнения Дегя1нкрятный выигрыш во времени регнс ряцни от. цосигся. строго говоря, к бьцтроперсменным объектам, тогда кяк лля стационарных, кяк в большинстве случаев в астрофизике, он пе играет практической роли. Такой выигрыш можно сравнить с точки зрения его технико-экономической эффективности с затратами на аналогичное уменьшеHH|. времени регистрации путем снижения порога чувствительностии глубокоохл а ж лаем ы х прием и иков в /ИТЗ разя, что требует создания новой дорогостоящей криогенной техники и приемников излучения, я в условиях вн nllнего фона вообще невозможно.

Формулп ияобретснп«! . (.пособ дистанционной регистрации газообразных объектов, заключающийся в фокусировке излучения молекул гязообраз20 ного объекта, молуляции по длине волны вылеленного участка врягцательного спектра молекул объекта и регистрации интенсивностии излучения характерной линии этого спектра путем детектирования сигналя синэ хронно с модуляцией ра вного разности интенсивностей линии и близлежащего по обе стороны от линии сплошного фона выделенного участка спектра, огли«пющпйгя тем, что с целью повышения надежности обнаружения, сокращения времени измерений и

30 обеспечения возможности няблк>ленин протяженних объектов, со ержяцих ликеРные и двухатомные молекулы, регистрируют интенсивности не менее лвух эквилистантно расположенных характерных линий врагцательного спектра молекул и детектируют сиг35 нал суммарной интенсивности линий зя вычетом интенсивности сплошного фона.

2. Способ по п. 1, o nu«a>cuuuucs см, что, с целью повышения точности измерений быстропеременных объектов, сфокусиро- ванное излучение выделенного участка спектра разделяют ня два ортогонально поляризованных пучка, модуляции в пучках осуществляют в противофазе друг к другу и детектируют сигнал, обусловленный суммар ной интенсивностью спектральных линий обоих пучков.!

363969 иг. 1

1О 1 11

Ц .1

l 1

Составитель А. Разяпов

Редактор Н. Коляда Техред И; Велес . Корректор А. Обручар

Заказ 37?.0, Тираж 53 . Подписное ./

ВНИИПИ Государственного комитета СССР яо делам иаобретений и открытий

l 13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород; ул. Проектная, 4