Способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения

 

Изобретение относится к оптическим методам измерения физико-химических параметров. Для дистанционного зондирования объекта формируют два канала наблюдения, в которых используют лазерное излучение с различной длиной волны. Формируют частотно-временной паспорт эталонного образца. Формируют угловую расходимость лазерного излучения и сканируют пространство. При обнаружении спектров излучения, коррелирующих со спектром излучения эталонного образца, сканирование прекращают. В результате взаимодействия объекта с излучением в первом канале формируют излучение комбинационного рассеяния, а во втором канале - лазерно-индуцированную флуоресценцию. Осуществляют регистрацию и запись спектров излучения объекта. Идентификацию объекта осуществляют путем сравнения частотно-временного портрета исследуемого объекта с частотно-временным паспортом эталонного образца. Технический результат - повышение точности и оперативности анализа. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к оптическим методам измерения физико-химических параметров объектов органического происхождения. Может быть эффективно использовано в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, а также на таможне и в криминалистике для дистанционного зондирования, обнаружения и идентификации широкого спектра объектов органического происхождения (нефтепродукты, их производные, различные виды растительности и т.п.). Изобретение найдет применение при решении различных задач экологии почв, сельскохозяйственных культур, при исследовании состояния водоемов, атмосферы; в различных производственных процессах, для качественного и количественного дистанционного обнаружения контрабандных включений органического происхождения, а также для дистанционного обнаружения различных отравляющих и взрывчатых веществ.

Спектрографическая лазерная диагностика является одним из перспективных способов количественной и качественной оценки, обнаружения и идентификации различных объектов органического происхождения. Дистанционное лазерное зондирование позволяет с высокой чувствительностью и разрешением исследовать малые количества образца и осуществлять экспресс анализ. Это обуславливает многообразие эффективно используемых в различных отраслях народного хозяйства и запатентованных способов и методов лазерного измерения и обнаружения различных объектов. Как правило, многообразие всех известных в настоящее время способов дистанционного лазерного зондирования объектов органического происхождения базируется на методе комбинационного рассеяния (КР) или на методе лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ).

Метод комбинационного рассеяния (КР) основан на неупругом (комбинационном) рассеянии света молекулами, что позволяет связать получаемые КР-спектры с химическими свойствами составляющих эти объекты биомолекул. Другой тип взаимодействия лазерного излучения с веществом лежит в основе метода лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ), и для его регистрации используют спектр, испускаемый молекулами, возбужденными лазерным излучением, при их переходе из возбужденного состояния в основное состояние.

Известен способ идентификации маркировки товарного бензина и устройство для его осуществления (патент РФ №2137111, G 01 N 21/64, 22.12. 1997 г.). Для идентификации марки товарного бензина заранее снимают спектры флуоресценции образцов сравнения - эталонов, при этом для возбуждения объектов используют лазерное излучение с длиной волны, совпадающей с центром линии поглощения объекта. Затем эту же линию используют для возбуждения спектра флуоресценции в идентифицируемом бензине и в сине-зеленой области спектра для реперных точек проводят сравнение интегральных величин интенсивности флуоресценции идентифицируемого бензина и образцов сравнения, определяют отношение измеренных величин и судят о марке идентифицируемого бензина.

Существенным недостатком описанного способа является недостаточная информативность интегральной интенсивности флуоресценции и для “родственных” объектов этот параметр может быть неотличим, что приводит к значительному увеличению значения вероятности ложного сигнала, т.е. однозначная идентификация не всегда возможна.

Известен способ определения характеристик сложных многокомпонентных напитков (патент РФ №2164677, G 01 N 21/64, 05.02.1999 г.) Этот способ также основан на взаимодействии излучения с исследуемым объектом, возбуждении фотолюминесценции, наблюдении и анализе спектрального состава излучения. Фотолюминесценция тестируемого напитка наблюдается при комнатной температуре или температуре жидкого азота. Анализ спектрального состава излучения проводится аппроксимацией по закону нормального распределения.

Этот способ также проводит сравнение и идентификацию образцов по совокупности интегральных характеристик спектра, что ограничивает сферу его использования и для надежного распознавания “родственных” веществ не применим.

Известны также способы лазерной спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) и лазерно-индуцированной флуоресцентной диагностики (ЛИФ), которые успешно применяются в биологии и медицине (книга “Лазерная диагностика в биологии и медицине”, авторы: А.В.Приезжев и др., М.: Наука, 1989 г., стр. 173-196; стр. 197-220).

Известные способы КР-рассеяния при использовании в биологии или медицине осуществляют следующим образом. Пучок лазерного излучения фокусируют оптической системой в пятно. Рассеянный исследуемым образцом свет собирается оптической системой и подается для исследования в спектрометр (стр. 189). Изображение объекта получают также с помощью сканирования по нему сфокусированным пучком (стр. 190-196). Этот очень чувствительный в лабораторных условиях способ имеет очень существенный недостаток - его чувствительность с увеличением дальности наблюдения существенно падает и уже для расстояний порядка 10-20 м спектр комбинационного рассеяния не несет достаточной информации для идентификации объекта.

В книге приведены также данные о применении ЛИФ диагностики, которая основана на лазерном зондировании объекта исследования и регистрации спектра флуоресценции с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) в режиме счета фотонов с автоматическим вычитанием окружающего фона и собственных шумов ФЭУ (стр. 202-220). Описанные эксперименты не ставили вопрос об идентификации, тем более о дистанционной диагностике и дают лишь качественное представление о известных способах.

Известны также способы дистанционного обнаружения отравляющих веществ (см. заявку РФ №98123323, G 01 N 21/00, 24.12.1998 г.; патент РФ №2155954, G 01 N 21/64, 12.03.1997 г.). Эти способы дистанционного обнаружения отравляющих веществ (ОВ) предусматривают лазерное дистанционное зондирование УФ-излучением и регистрацию фоновых характеристик атмосферы и интенсивности сигналов люминесценции аэрозоля ОВ в видимой области спектра. Данные способы позволяют осуществлять дистанционный контроль концентрации конкретных ОВ, но не позволяют осуществлять диагностику и идентификацию ОВ.

Анализ вышеупомянутых патентов показывает, что на данный момент задача дистанционного обнаружения и идентификация с необходимой достоверностью объектов органического происхождения актуальна и способами, описанными в рассмотренных патентах, не может быть решена.

Известен способ контроля подлинности драгоценных камней (патент РФ №2069350, G 01 N 21/64, 12.05.1993 г.), наиболее близкий по технической сущности патентуемому изобретению и принятый в качестве прототипа. Способ включает облучение образца, регистрацию и запись спектра люминесценции в заданной области, сравнение характеристик спектра образца с аналогичными величинами для эталона. Облучение исследуемого образца осуществляют импульсными электронными пучками. Облучение, регистрацию и запись спектра люминесценции образца осуществляют не менее двух раз, первый раз для создания эталона - спектрально-люминесцентного паспорта контролируемого образца, второй раз - при повторном появлении камня на контрольном пункте. Изобретение относится к технике спектрально-люминесцентного анализа веществ и используется на таможне и в криминалистике для оперативного и точного контроля (идентификации) передвижения драгоценных камней и исключения их подмены другими камнями.

Особенность этого способа - образец сравнивается сам с собой, вводится понятие паспорта, и все же он имеет очень конкретное ограниченное применение, так как не может быть распространен на объекты органического происхождения, ввиду недостаточной информативности в этом случае. Имея более сложные структуры, объекты органического происхождения для родственных (близких по структуре) веществ могут иметь перекрывающиеся спектры флуоресценции и одного спектра будет недостаточно для диагностики и идентификации с высокой вероятностью правильного обнаружения.

Настоящее изобретение решает задачу оперативного, с высокой точностью и надежностью дистанционного распознавания и идентификации различных объектов органического происхождения за счет одновременного использования двух независимых измерительно-информационных каналов, один из которых работает в режиме комбинационного рассеяния (КР), а другой - в режиме лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Экспресс-анализ и идентификацию исследуемого объекта осуществляют путем сравнения частотно-временного портрета исследуемого объекта, подготовленного на основе измерения соответствующих параметров и характеристик спектров КР и ЛИФ в двух измерительно-информационных каналах, с частотно-временным паспортом эталонного образца.

Решение поставленной задачи достигается следующим образом. В способе дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения, включающем дистанционное импульсное зондирование исследуемого объекта излучением, регистрацию и запись спектров излучения, сравнение характеристик спектров излучения эталонного образца и исследуемого объекта, согласно настоящему изобретению для проведения дистанционного импульсного зондирования исследуемого объекта формируют два канала наблюдения. В первом канале для дистанционного импульсного зондирования используют лазерное излучение с длиной волны в спектральном диапазоне λ₁=0,8-1,6 мкм, а во втором канале для дистанционного импульсного зондирования используют лазерное излучение с длиной волны λ₂=0,26-0,38 мкм. Настоящее изобретение предусматривает, что предварительно до начала проведения лазерного зондирования исследуемого объекта формируют частотно-временной паспорт одного или нескольких эталонных образцов, которые записывают в память вычислителя.

В соответствии с патентуемым способом в каждом канале наблюдения формируют требуемую угловую расходимость лазерного излучения и используют лазерное излучение каждого канала для раздельного сканирования пространства с исследуемым объектом. При обнаружении в области сканирования спектров излучения, которые по основным параметрам (например, положение на оси частот максимумов двух-трех самых интенсивных спектральных линий) коррелируют со спектром излучения одного или нескольких эталонных образцов, сканирование пространства прекращают и направляют лазерное излучение первого и второго каналов на выделенную область пространства. При наличии в этой области пространства объекта органического происхождения и в результате взаимодействия его с излучением λ₁ в первом канале наблюдения формируют излучение комбинационного рассеяния (КР). А в результате взаимодействия объекта органического происхождения с излучением λ₂ во втором канале наблюдения формируют лазерно-индуцированную флуоресценцию (ЛИФ). После чего осуществляют регистрацию и запись спектров излучения исследуемого объекта. Для этого часть энергии комбинационного рассеяния (КР) и лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) раздельно собирают приемной оптикой первого и второго каналов и подают соответственно в анализаторы спектров первого и второго каналов, где определяют параметры соответственно спектров комбинационного рассеяния и лазерно-индуцированной флуоресценции. После чего параметры спектров КР и ЛИФ подают в вычислитель, где и формируют частотно-временной портрет исследуемого объекта. Идентификацию исследуемого объекта осуществляют путем сравнения частотно-временного портрета исследуемого объекта с частотно-временным паспортом одного или нескольких эталонных образцов, заранее записанных в памяти вычислителя.

Согласно настоящему изобретению дистанционное зондирование исследуемого объекта осуществляют при длительности импульса лазерного излучения от 30 до 200 нс, частоте повторения импульсов от 5 до 50 Гц, энергии излучения в импульсе до 0,2 Дж.

Для формирования частотно-временного паспорта одного или нескольких эталонных образцов и для формирования частотно-временного портрета исследуемого объекта в первом канале наблюдения используют параметры спектра комбинационного рассеяния (КР) и измеряют сдвиги спектральных линий в спектре относительно линии зондирующего излучения λ₁ с накоплением сигнала по 2-10 измерениям.

А во втором канале наблюдения используют параметры спектра лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) от зондирующего излучения λ₂ с накоплением сигнала по 2-10 измерениям. После первого измерения спектр “разбивают” на ряд полос-участков, после чего измеряют среднюю интенсивность в каждой полосе, ширину каждой полосы, интенсивность спектра в полосе, отнесенную к ее ширине, отношение интенсивностей спектра различных полос, время распада флуоресценции в каждой полосе после прекращения лазерного импульсного зондирования, спектр затухания флуоресценции во времени.

Технический результат настоящего изобретения заключается в кардинальном повышении достоверности обнаружительных и идентификационных характеристик объектов органического происхождения. Разработанный способ позволяет в реальное время (20-100 с) и на расстоянии (до 60 м) с высокой степенью вероятности (до 0,8-0,9) осуществлять обнаружение и идентификацию широкого спектра объектов органического происхождения, находящихся в негерметичной упаковке (нефтепродуктов, их соединений, различных видов растительности, отравляющих и взрывчатых веществ и т.п.).

Качественно повышенный уровень обнаружительных характеристик настоящего способа обусловлен тем, что авторами принципиально по новому реализованы “механизм” лазерного зондирования и обнаружения объектов органического происхождения и их последующая идентификация. Зондирование объекта осуществляют двумя независимыми и различными по параметрам и назначению каналами наблюдения. Регистрация соответствующих параметров спектра КР в первом канале наблюдения и соответствующих параметров спектра ЛИФ во втором канале наблюдения позволяет получить индивидуальный многомерный и многофакторный частотно-временный портрет исследуемого образца в соответствии с его индивидуальной структурой - молекулярной, вращательно-колебательной, наличием отдельных молекул, химических связей. Все это позволяет обеспечить высокую вероятность правильного обнаружения и до минимума снизить вероятность ложной идентификации исследуемого объекта.

Сущность изобретения поясняется примером реализации способа дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения и чертежами, на которых представлены:

фиг.1 - блок-схема устройства для реализации способа;

фиг.2 - блок-схема анализаторов спектра 10, 11;

фиг.3 - блок-схема вычислителя 12;

фиг.4 - блок-схема блоков синхронизации и управления 5, 13;

фиг.5 - укрупненная блок-схема алгоритма работы устройства для реализации патентуемого способа.

Патентуемый способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения реализуют с помощью устройства, которое содержит (фиг.1) источник лазерного излучения 1 первого канала, длина волны излучения которого составляет λ₁=0,8-l,6 мкм и источник лазерного излучения 2 второго канала, длина волны излучения которого составляет λ₂=0,26-0,38 мкм. На оптической оси источников лазерного излучения 1 и 2 установлены формирующая оптика 3 и устройство сканирования лазерного излучения 4. На фиг.1 тонкой пунктирной линией условно показано направление лазерного излучения от источников 1 и 2 к блокам 3 и 4, к объекту исследования и от него к приемной оптике соответствующего канала наблюдения. Первые входы источников лазерного излучения 1 и 2 подключены к первому выходу первого блока синхронизации и управления 5, второй выход которого подключен к первому входу устройства сканирования 4. Устройство содержит также первый блок питания 6, первый, второй, третий выходы которого соединены соответственно со вторыми входами источников лазерного излучения 1 и 2, вторым входом сканирующего устройства 4, первым входом блока синхронизации и управления 5.

Для приема и анализа рассеянного объектом исследования 7 излучения - спектра комбинационного рассеяния (КР) устройство содержит приемную оптику 8, оптический сигнал с которой подается на оптический вход анализатора спектра 10. Для приема и анализа излученной объектом исследования 7 лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ) устройство содержит приемную оптику 9, оптический сигнал с которой подается на оптический вход анализатора спектра 11. Анализаторы спектра 10 и 11 своими многоразрядными выходами подключены соответственно к первому и второму многоразрядным входам вычислителя 12, первый вход которого соединен с первым выходом второго блока синхронизации и управления 13, второй выход которого подключен ко вторым входам анализаторов спектра 10 и 11. Второй вход вычислителя 12 соединен с первым выходом второго блока питания 14, второй, третий и четвертый выходы которого, подключены соответственно к входу монитора 15, первым входам анализаторов спектра 10 и 11, первому входу второго блока синхронизации и управления 13, второй вход которого соединен с первым выходом вычислителя 12, второй выход которого соединен со вторым входом блока синхронизации и управления 5. Монитор 15 многоразрядной двунаправленной шиной связан с вычислителем 12.

Источники лазерного излучения 1 и 2 располагают от объекта лазерного зондирования и исследования 7 на расстоянии от 5 до 60 м.

В качестве источников лазерного излучения 1 и 2 могут быть использованы стандартные лазеры: например, источник лазерного излучения 1 (см. книгу “Инфракрасные лазерные локационные системы”; авторы: Протопопов В.В., Устинов Н.Д.; М.: Воениздат, 1987 г., стр. 45), и источник лазерного излучения 2 (см. “Физическую энциклопедию”; М.: “Советская энциклопедия”, 1988 г., стр. 384). Источники излучения 1 и 2 позволяют осуществлять дистанционное лазерное зондирование исследуемого объекта при длительности импульса от 30 до 200 нс, частоте повторения импульсов от 5 до 50 Гц и энергии излучения в импульсе до 0,2 Дж.

Формирующая оптика 3 обеспечивает требуемую угловую расходимость лазерного излучения двух каналов наблюдения и может быть реализована в виде оптического объектива (см., например, S.G.Lambert, W.L.Casey. Laser Communications in Space. Artech House, 1995, стр. 119-128). Выбор значения угловой расходимости лазерного излучения в каждом канале определяется экспериментально и зависит от типа исследуемого объекта и дальности его расположения.

Устройство сканирования лазерного излучения 4 обеспечивает дистанционное сканирование пространства по азимуту и углу места в диапазоне углов от 0° до ±90° по каждой из угловых координат. В качестве устройства сканирования 4 может быть использована известная конструкция, описанная в книге S.G.Lambert, W.L.Casey. Laser Communications in Space. Artech House, 1995, стр. 109).

Первый блок синхронизации и управления 5 обеспечивает синхронизацию работы источников лазерного излучения 1 и 2 и сканирующего устройства 4, установку расчетных параметров излучения (частота повторения импульсов излучения лазеров, диапазон углов сканирования пространства).

Первый блок питания 6 соединен с сетью питания 220 В и обеспечивает подачу питающих напряжений на источники лазерного излучения 1 и 2, сканирующее устройство 4 и первый блок синхронизации и управления 5. Блоки питания 6 и 14 выполнены по известной схемотехнике (см., например, Ежегодный Международный каталог опто-электронных приборов зарубежных фирм 2001 г. “Laser Focus World. Buyers Guide 2001 the Optoelectronics Industry Sourcebook. Vol. 36).

Приемная оптика 8 и 9 обеспечивают прием части излучения соответственно КР и ЛИФ, ввод оптического сигнала в соответствующий анализатор спектра. Конструктивно блоки приемной оптики 8 и 9 могут быть реализованы каждый в виде оптического объектива (см., например, S.G.Lambert, W.L.Casey. Laser Communications in Space. Artech House, 1995, стр. 119-128).

Анализаторы спектра 10 и 11 обеспечивают разложение спектра исследуемого сигнала, преобразование оптического сигнала в электрический сигнал и последующее измерение частотно-временных характеристик спектра излучения КР и ЛИФ, осуществляют передачу измеренных параметров спектров КР и ЛИФ в вычислитель 12 для формирования частотно-временного портрета исследуемого объекта.

Анализаторы спектра 10 и 11 схемотехнически выполнены идентично на базе стандартных комплектующих элементов и каждый содержит (фиг.2) полихроматор на основе дифракционных решеток 16, оптический вход которого является оптическим входом анализатора спектра. Оптический выход полихроматора 16 подключен к оптическому входу фотоприемника 17, который содержит электронно-оптический усилитель яркости 18, оптический выход которого соединен с оптическим входом многоэлементной фоточувствительной линейки 19. Выход фоточувствительной линейки 19 подключен к первому входу блока управления и усиления сигналов фотоприемника 20, который многоразрядным выходом соединен с интерфейсом 21, многоразрядный выход, которого является многоразрядным выходом анализаторов спектра 10 и 11. Второй и третий входы блока управления и усиления сигналов фотоприемника 20 соединены соответственно с третьим выходом второго блока питания 14 и вторым выходом второго блока синхронизации и управления 13. Входы блоков 18, 19, второй вход блока 20, первый вход интерфейса 21 соединены с третьим выходом второго блока питания 14. Второй вход интерфейса 21 соединен с вторым выходом второго блока синхронизации и управления 13. В качестве одной из возможных конкретных реализаций анализаторов спектра 9 и 11 могут быть использованы анализаторы спектра типа: HP 71450В, НВ 71451В, 71400С, 70880А производство фирмы “Hewlett Packard” (каталог фирмы “Test & Mesurement, HP, 1996 г., стр. 426-429).

Таким образом, устройство для реализации разработанного способа дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения представляет собой двухканальную информационно-измерительную систему, каждый канал которой осуществляет независимое лазерное зондирование объекта исследования, измерение и регистрацию параметров отклика объекта исследования на лазерное возбуждение. Первый канал содержит источник лазерного излучения 1, формирующую оптику 3, устройство сканирования 4, приемную оптику 8, анализатор спектра 10. Второй канал содержит источник лазерного излучения 2, формирующую оптику 3, сканирующее устройство 4, приемную оптику 10 и анализатор спектра 11. Первый и второй каналы устройства подключены к вычислителю 12.

Вычислитель 12 обеспечивает формирование частотно-временного портрета исследуемого объекта, сравнение частотно-временного портрета исследуемого объекта с частотно-временными паспортами эталонных образцов, размещенных в памяти вычислителя, и идентификацию исследуемого объекта. Вычислитель 12 может быть выполнен, например, в виде системного блока персонального компьютера (из серийных покупных блоков), который содержит (фиг.3) корпус 22 (марки midi-tower ATX), блок питания 23 (модель AL 230W), процессор 24 (типа Intel Pentium-2 333 МГц), память 25 (марки SDRAM 64 MB), жесткий диск 26 (типа Seagate 8,6 GB), контроллеры ввода-вывода: контроллер 27 RS-232, контролер клавиатуры 28; видеокарту 29 (марки S3 savage 3D 8 MB), контроллер принтера 30 (типа Centro-nix), клавиатуру 31 (типа ВТС Turbo-PS/2), материнскую плату 32 (марки Asustec P2B).

Первый блок синхронизации и управления 5 и второй блок синхронизации и управления 13 реализованы на основе стандартных элементов, например, по схеме, приведенной на фиг.4. Блок синхронизации и управления 5(13) содержит генератор синусоидального напряжения 33 на частоту 1 мГц, перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ)-34, генератор управляющих кодов 35 и формирователь команд управления 36. Примеры конкретной реализация блоков 33-36 приведены в книге “ Методы автоматизации физических экспериментов и установок на основе ЭВМ” (автор: Ступин Ю.В.; М.: Энергоатомиздат, 1983 г., 288 стр.).

Патентуемый способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения осуществляют следующим образом.

В зависимости от типа объекта предстоящего исследования устройство, реализующее дистанционное обнаружение и идентификацию объектов органического происхождения, комплектуют источниками лазерного излучения 1 и 2 с длинами волн излучения, соответствующими основной полосе поглощения исследуемого объекта. Например, для источника лазерного излучения 1 первого канала берут лазер с длиной волны излучения λ₁=1,064 мкм (первая гармоника YAG: Nd лазера, λ₁=1,064 мкм), а для источника лазерного излучения 2 второго канала берут лазер с длиной волны излучения λ₂=0,337 мкм (линия генерации азотного лазера). С помощью блока синхронизации и управления 5 устанавливают в источниках лазерного излучения 1 и 2 и в сканирующем устройстве 4 необходимые параметры режима облучения пространства с искомым объектом. Устанавливают требуемую угловую расходимость лазерного излучения в каждом канале.

Согласно патентуемому способу предварительно осуществляют формирование частотно-временного паспорта одного или нескольких эталонных образцов, который записывают в память вычислителя 12.

Укрупненная блок-схема алгоритма работы устройства по осуществлению заявленного способа обнаружения и идентификации приведена на фиг.5. Полное и подробное описание программного продукта для реализации патентуемого способа изложено в технической документации заявителя.

Для каждого канала устанавливают длительность импульсов 10 нс, частоту повторения импульсов 50 Гц и энергию излучения импульсов 0,1 Дж. После чего включают источники лазерного излучения 1 и 2 и подают лазерное излучение через формирующую оптику 3 на сканирующее устройство 4. Сканирующее устройство 4 осуществляет сканирование пространства с исследуемым объектом. Искомый объект, если он есть в пространстве сканирования, подвергается воздействию лазерного излучения на длинах волн λ₁ и λ₂. При обнаружении спектров излучения, которые по основным параметрам (например, положение на оси частот максимумов двух-трех самых интенсивных спектральных линий) коррелируют со спектром излучения эталонных образцов (или образца), сканирование пространства прекращают. Направляют лазерное излучение первого и второго каналов наблюдения на выделенную область пространства.

При взаимодействии лазерного излучения (длина волны λ₁) с исследуемым объектом в результате неупругого рассеивания в первом канале наблюдения формируют спектр комбинационного рассеяния, а при взаимодействии лазерного излучения (длина волны λ₂) с исследуемым объектом во втором канале наблюдения формируют спектр лазерно-индуцированной флуоресценции.

В первом канале реализуют схему по наблюдению характерных спектральных линий - спектров комбинационного рассеяния (КР) как отклика исследуемого объекта на возбуждение интенсивным лазерным излучением (первая гармоника YAG: Nd лазера, λ₁=1,064 мкм). Спектр КР представляет собой набор узких линий, смещенных вправо и влево относительно линии возбуждения λ₁. Местоположение линий в спектре комбинационного рассеяния определяется комбинацией возбуждающей частоты и частотами переходов между вращательно-колебательными уровнями молекулярного объекта, поэтому отстройка характеристических линий от линии возбуждения является однозначной характеристикой наблюдаемого объекта. Кроме того, интенсивность сигнала КР прямо пропорциональна плотности рассеивающих молекул и не зависит от присутствия других молекул и фона.

Второй канал лазерного излучения λ₂ реализует схему дистанционного зондирования, основанную на методе лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Наблюдаемый в этом случае спектр, как известно, спектр ЛИФ, сдвинут в длинноволновую область, относительно возбуждающей линии λ₂=337 нм азотного лазера - сложный характеристический спектр, отражающий огибающую всех вращательно-колебательных переходов с возбужденного состояния на основной уровень молекулы. Дифференциальное сечение рассеяния для метода ЛИФ имеет в сравнении с методом КР на несколько порядков большее значение, и поэтому данный метод может быть эффективно использован для исследования объектов, удаленных на расстояние до 60 м. Спектры ЛИФ индивидуальны для каждого молекулярного объекта. На практике, имея дело со сложными молекулярными соединениями, тем более с “родственными” молекулярными объектами, например, такими как травянистые однодольные растения, легкие бензины и т.д., для которых спектры ЛИФ почти совпадают, использовать только интегральные характеристики спектров ЛИФ для достоверной идентификации наблюдаемых объектов не всегда представляется возможным. Для устранения этого недостатка в патентуемом способе предусмотрено регистрировать при исследовании объектов методом ЛИФ кроме интегральных характеристик спектра еще ряд его параметров. Спектр регистрируют несколько раз (от 2 до 10 раз). После первой регистрации спектр разбивают на ряд полос - участков спектра (либо равной ширины, либо по определенному алгоритму в соответствии с особенностями полученного спектра). Для каждой полосы находятся характеристические параметры, заметно меняющиеся со структурными отличиями “родственных” веществ.

Такими параметрами служат:

- средняя интенсивность в каждой полосе;

- ширина каждой полосы;

- интенсивность спектра в полосе, отнесенная к ее ширине;

- отношение интенсивностей спектра различных полос;

- время распада флуоресценции в каждой полосе после прекращения лазерного импульсного зондирования;

- спектр затухания флуоресценции во времени.

Так как спектр ЛИФ формируется как отклик на возбуждение вращательно-колебательных переходов, соответствующих различным состояниям молекулы, молекулярным связям и даже разным молекулам, и их вклад в интенсивность полос различен, то это проявляется в разбросе значений вышеуказанных параметров. Эти параметры оказываются чувствительными к структурным отличиям “родственных” веществ и тем самым даже при совпадении спектров ЛИФ “родственных” веществ мы получаем дополнительные “индивидуальные” признаки наблюдаемого объекта и, соответственно, расширяются возможности идентификации. Выбранные и измеренные параметры спектра КР и ЛИФ образуют “визитную карточку” исследуемого вещества (объекта), которая составляет т. н. частотно-временной портрет объекта наблюдения.

В процессе проведения дистанционного зондирования объекта лазерным излучением с длинами волн λ₁ и λ₂ осуществляют регистрацию и запись отклика исследуемого объекта на соответствующее возбуждение, для этого часть излучения комбинационного рассеяния и лазерно-индуцированной флуоресценции раздельно собирают приемной оптикой 8 и 9 первого и второго каналов и подают соответственно в анализаторы спектра 10 и 11 первого и второго каналов. В анализаторах спектра 10 и 11 соответственно измеряют параметры комбинационного рассеяния (КР), лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ), которые подают в вычислитель 12, где формируют частотно-временной портрет исследуемого объекта. Идентификацию исследуемого объекта осуществляют путем сравнения частотно-временного портрета исследуемого объекта с частотно-временным паспортом одного или нескольких эталонных образцов, заранее размещенных в памяти вычислителя 12.

Подготовку частотно-временного паспорта эталонного образца или нескольких образцов осуществляют в соответствии с настоящим патентуемым способом заранее в лабораторных условиях. Полученные эталонные параметры исследуемого образца или образцов вводят в память вычислителя 12.

Патентуемый способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения прошел успешные испытания, которые подтвердили на практике, что настоящий способ позволяет в реальном времени, на расстоянии до 60 м проводить экспресс-анализ, обнаруживать и идентифицировать широкую гамму образцов с высокой вероятностью правильного обнаружения (порядка 80-90%).

Формула изобретения

1. Способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения, включающий дистанционное импульсное зондирование исследуемого образца излучением, регистрацию и запись спектров излучения образца, сравнение характеристик спектров излучения эталонного образца и исследуемого объекта, отличающийся тем, что для проведения дистанционного импульсного зондирования исследуемого объекта формируют два канала наблюдения, в первом канале для дистанционного импульсного зондирования используют лазерное излучение с длиной волны в спектральном диапазоне λ₁=0,8-1,6 мкм, а во втором канале для дистанционного импульсного зондирования используют лазерное излучение с длиной волны в диапазоне λ₂=0,26-0,38 мкм, предварительно формируют частотно-временной паспорт одного или нескольких эталонных образцов и записывают в память вычислителя, в каждом канале наблюдения формируют требуемую угловую расходимость лазерного излучения и используют лазерное излучение каналов для раздельного сканирования пространства с исследуемым объектом, при обнаружении спектров излучения, которые по основным параметрам коррелируют со спектром излучения эталонного образца, сканирование пространства прекращают, направляют лазерное излучение каналов на выделенную область пространства, при наличии в этой области пространства объекта органического происхождения и в результате взаимодействия его с излучением λ₁ в первом канале наблюдения формируют излучение комбинационного рассеяния, а в результате взаимодействия объекта с излучением λ₂ во втором канале формируют лазерно-индуцированную флуоресценцию, после чего осуществляют регистрацию и запись спектров излучения исследуемого объекта, для этого часть энергии комбинационного рассеяния и лазерно-индуцированной флуоресценции раздельно собирают приемной оптикой соответствующего канала наблюдения и подают соответственно в анализаторы спектра первого и второго каналов, где определяют параметры соответственно спектров комбинационного рассеяния и лазерно-индуцированной флуоресценции, которые подают в вычислитель, где формируют частотно-временной портрет исследуемого объекта, при этом идентификацию исследуемого объекта осуществляют путем сравнения частотно-временного портрета исследуемого объекта с частотно-временным паспортом одного или нескольких эталонных образцов, заранее записанных в памяти вычислителя.

2. Способ обнаружения и идентификации по п.1, отличающийся тем, что дистанционное зондирование исследуемого объекта осуществляют при длительности импульса лазерного излучения от 30 до 200 нс, частоте повторения импульсов от 5 до 50 Гц, энергии излучения в импульсе до 0,2 Дж.

3. Способ обнаружения и идентификации по п.1, отличающийся тем, что для формирования частотно-временного паспорта одного или нескольких эталонных образцов и для формирования частотно-временного портрета исследуемого объекта в первом канале наблюдения используют параметры спектра комбинационного рассеяния и измеряют сдвиги спектральных линий в спектре относительно линии зондирующего излучения λ₁ с накоплением сигнала по 2-10 измерениям, а во втором канале наблюдения используют параметры спектра лазерно-индуцированной флуоресценции от зондирующего излучения λ₂ с накоплением сигнала по 2-10 измерениям, для чего после первого измерения спектр “разбивают” на ряд полос - участков и измеряют среднюю интенсивность в каждой полосе, ширину каждой полосы, интенсивность спектра в полосе, отнесенную к ее ширине, отношение интенсивностей спектра различных полос, время распада флуоресценции в каждой полосе после прекращения лазерного импульсного зондирования, спектр затухания флуоресценции во времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.09.2008

Извещение опубликовано: 10.09.2008        БИ: 25/2008

---