RU2233438C1

RU2233438C1 - Method for remote finding and identification of organic-origin objects

Info

Publication number: RU2233438C1
Application number: RU2003125948/28A
Authority: RU
Inventors: А.П. Брюховецкий (RU); А.П. Брюховецкий; А.В. Суетенко (RU); А.В. Суетенко
Original assignee: Брюховецкий Александр Павлович; Суетенко Александр Викторович
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2004-07-27

Abstract

FIELD: optical methods for measuring physical and chemical parameters.

SUBSTANCE: method comprises steps of forming two observation channels at using laser irradiation with different wave length values; forming frequency-time record of reference sample; forming angular divergence of laser irradiation and scanning space; interrupting scanning at finding irradiation spectra correlated with irradiation spectrum of reference sample; in the result of interaction of object and irradiation, in first channel forming combination scatter irradiation and in second channel forming laser-induced fluorescence; recording and writing spectra of object irradiation; identifying object due to comparing frequency-time portrait of investigated object with frequency-time record of reference sample.

EFFECT: enhanced accuracy of rapid analysis.

3 cl, 5 dwg

Description

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.The invention relates to optical methods for measuring the physicochemical parameters of objects of organic origin. It can be effectively used in various industries and agriculture, as well as in customs and criminalistics for remote sensing, detection and identification of a wide range of objects of organic origin (oil products, their derivatives, various types of vegetation, etc.). The invention will find application in solving various environmental problems of soils, crops, in the study of the state of water bodies, atmosphere; in various production processes, for the qualitative and quantitative remote detection of contraband inclusions of organic origin, as well as for the remote detection of various toxic and explosive substances.

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).Spectrographic laser diagnostics is one of the promising methods for quantitative and qualitative assessment, detection and identification of various objects of organic origin. Remote laser sensing allows with high sensitivity and resolution to study small amounts of the sample and carry out express analysis. This determines the variety of patented methods and methods for laser measurement and detection of various objects that are effectively used in various sectors of the national economy. As a rule, the variety of all currently known methods for remote laser sensing of organic objects is based on the Raman scattering (Raman) method or the laser-induced fluorescence (LIF) method.

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.The Raman scattering method (Raman scattering) is based on inelastic (Raman) scattering of light by molecules, which allows us to relate the obtained Raman spectra to the chemical properties of the biomolecules that make up these objects. Another type of interaction of laser radiation with matter is the basis of the method of laser-induced fluorescence (LIF), and for its registration, the spectrum emitted by molecules excited by laser radiation during their transition from an excited state to the ground state is used.

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.A known method of identifying marking commercial gasoline and a device for its implementation (RF patent No. 2137111, G 01 N 21/64, 22.12. 1997). To identify a brand of commercial gasoline, the fluorescence spectra of reference samples — standards — are taken in advance, and laser radiation with a wavelength coinciding with the center of the absorption line of the object is used to excite objects. Then, the same line is used to excite the fluorescence spectrum in identifiable gasoline and in the blue-green region of the spectrum for reference points; the integral values of the fluorescence intensity of identifiable gasoline and comparison samples are compared, the ratio of the measured values is determined and the brand of identifiable gasoline is judged.

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.A significant drawback of the described method is the lack of informational content of the integrated fluorescence intensity, and for “related” objects this parameter may be indistinguishable, which leads to a significant increase in the value of the probability of a false signal, i.e. unambiguous identification is not always possible.

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.A known method for determining the characteristics of complex multicomponent drinks (RF patent No. 2164677, G 01 N 21/64, 02/05/1999) This method is also based on the interaction of radiation with the studied object, excitation of photoluminescence, observation and analysis of the spectral composition of radiation. Photoluminescence of the test drink is observed at room temperature or the temperature of liquid nitrogen. The analysis of the spectral composition of radiation is carried out by approximation according to the law of normal distribution.

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.This method also compares and identifies samples according to the aggregate integrated characteristics of the spectrum, which limits the scope of its use and is not applicable for reliable recognition of “related” substances.

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).There are also known methods of laser Raman spectroscopy (Raman scattering) and laser-induced fluorescence diagnostics (LIF), which are successfully used in biology and medicine (book “Laser diagnostics in biology and medicine”, authors: A.V. Priezhev et al., M .: Science, 1989, pp. 173-196; pp. 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.Known methods of Raman scattering when used in biology or medicine are as follows. The laser beam is focused by the optical system into a spot. The light scattered by the test sample is collected by the optical system and fed to the spectrometer for investigation (p. 189). The image of the object is also obtained by scanning it with a focused beam (p. 190-196). This method, which is very sensitive in laboratory conditions, has a very significant drawback - its sensitivity decreases significantly with increasing observation range and already for distances of the order of 10–20 m, the Raman spectrum does not provide enough information to identify the object.

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.The book also contains data on the use of LIF diagnostics, which is based on laser sensing of the object of study and recording the fluorescence spectrum using a photomultiplier tube (PMT) in the photon counting mode with automatic subtraction of the ambient background and PMT noise floor (pp. 202-220). The described experiments did not raise the question of identification, especially about remote diagnostics and give only a qualitative idea of the known methods.

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.There are also known methods for the remote detection of toxic substances (see RF application No. 98123323, G 01 N 21/00, 12/24/1998; RF patent No. 2155954, G 01 N 21/64, 03/12/1997). These methods for the remote detection of poisonous substances (OM) include laser remote sensing with UV radiation and registration of the background characteristics of the atmosphere and the intensity of the luminescence signals of the aerosol OM in the visible region of the spectrum. These methods allow remote monitoring of the concentration of specific OM, but do not allow for the diagnosis and identification of OM.

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.An analysis of the aforementioned patents shows that at the moment, the task of remote detection and identification with the necessary reliability of objects of organic origin is relevant and cannot be solved by the methods described in the considered patents.

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.A known method of controlling the authenticity of precious stones (RF patent No. 2069350, G 01 N 21/64, 05/12/1993), the closest in technical essence to the patented invention and adopted as a prototype. The method includes irradiating the sample, recording and recording the luminescence spectrum in a given region, comparing the characteristics of the spectrum of the sample with similar values for the standard. Irradiation of the test sample is carried out by pulsed electron beams. Irradiation, registration and recording of the luminescence spectrum of the sample is carried out at least two times, the first time to create a standard - spectral-luminescent passport of the controlled sample, the second time - when the stone reappears at the checkpoint. The invention relates to techniques for spectral-luminescent analysis of substances and is used at customs and in criminalistics for operational and accurate control (identification) of the movement of precious stones and exclude their substitution with other stones.

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.The peculiarity of this method is that the sample is compared with itself, the concept of a passport is introduced, and yet it has very specific limited use, since it cannot be extended to objects of organic origin, due to insufficient information in this case. Having more complex structures, objects of organic origin for related (similar in structure) substances may have overlapping fluorescence spectra and one spectrum will not be enough for diagnosis and identification with a high probability of correct detection.

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.The present invention solves the problem of operational, with high accuracy and reliability of remote recognition and identification of various objects of organic origin through the simultaneous use of two independent measuring and information channels, one of which operates in Raman scattering (Raman) mode, and the other in laser-induced mode. fluorescence (LIF). Express analysis and identification of the studied object is carried out by comparing the time-frequency portrait of the studied object, prepared on the basis of measuring the corresponding parameters and characteristics of the Raman and LIF spectra in two measuring and information channels, with the time-frequency passport of the reference sample.

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.The solution to this problem is achieved as follows. In the method for remote detection and identification of objects of organic origin, including remote pulsed sounding of the studied object by radiation, registration and recording of radiation spectra, comparing the characteristics of the radiation spectra of the reference sample and the studied object, according to the present invention, two observation channels are formed for remote pulsed sounding of the studied object. The first channel for remote pulsed sounding uses laser radiation with a wavelength in the spectral range λ ₁ = 0.8-1.6 μm, and the second channel for remote pulsed sounding uses laser radiation with a wavelength λ ₂ = 0.26-0 , 38 microns. The present invention provides that prior to the start of laser sensing of the test object, a time-frequency passport of one or more reference samples is formed, which are recorded in the memory of the calculator.

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.In accordance with the patented method, the required angular divergence of the laser radiation is formed in each observation channel and the laser radiation of each channel is used for separate scanning of the space with the object under study. If radiation spectra are detected in the scanning region that, according to the main parameters (for example, the position on the frequency axis of the maxima of the two or three most intense spectral lines) correlate with the radiation spectrum of one or more reference samples, the space scan is stopped and the laser radiation of the first and second channels is directed to selected area of space. If there is an object of organic origin in this area of the space and as a result of its interaction with radiation λ _1, Raman radiation is formed in the first observation channel. And as a result of the interaction of an object of organic origin with λ ₂ radiation, laser-induced fluorescence (LIF) is formed in the second observation channel. Then register and record the radiation spectra of the investigated object. For this, a part of the Raman energy (Raman scattering) and laser-induced fluorescence (LIF) are separately collected by the receiving optics of the first and second channels and fed respectively to the spectrum analyzers of the first and second channels, where the parameters of the Raman and laser-induced fluorescence spectra are respectively determined. After that, the parameters of the Raman and LIF spectra are fed to the calculator, where they form the time-frequency portrait of the object under study. Identification of the test object is carried out by comparing the time-frequency portrait of the test object with the time-frequency passport of one or more reference samples previously stored in the computer memory.

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.According to the present invention, remote sensing of the object under study is carried out with a laser pulse duration of 30 to 200 ns, a pulse repetition rate of 5 to 50 Hz, and a pulse energy of up to 0.2 J.

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.For the formation of the time-frequency passport of one or several reference samples and for the formation of the time-frequency portrait of the studied object in the first observation channel, the Raman spectrum parameters are used and the shifts of the spectral lines in the spectrum are measured relative to the probe radiation line λ ₁ with signal accumulation of 2 -10 measurements.

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.And in the second observation channel, the parameters of the spectrum of laser-induced fluorescence (LIF) from the probing radiation λ ₂ with the accumulation of the signal in 2-10 measurements are used. After the first measurement, the spectrum is “divided” into a series of bands, after which the average intensity in each band, the width of each band, the intensity of the spectrum in the band, related to its width, the ratio of the intensities of the spectrum of different bands, the decay time of fluorescence in each band after termination are measured laser pulsed sounding, fluorescence decay spectrum over time.

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.).The technical result of the present invention is to radically increase the reliability of the detection and identification characteristics of objects of organic origin. The developed method allows in real time (20-100 s) and at a distance (up to 60 m) with a high degree of probability (up to 0.8-0.9) to detect and identify a wide range of objects of organic origin in leaky packaging (oil products , their compounds, various types of vegetation, poisonous and explosive substances, etc.).

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.The qualitatively increased level of detecting characteristics of this method is due to the fact that the authors fundamentally re-implemented the “mechanism” of laser sensing and detection of objects of organic origin and their subsequent identification. The sounding of the object is carried out by two independent and different in parameters and purpose of the observation channels. Registration of the corresponding parameters of the Raman spectrum in the first observation channel and the corresponding parameters of the LIF spectrum in the second observation channel makes it possible to obtain an individual multidimensional and multifactor time-frequency portrait of the test sample in accordance with its individual structure - molecular, rotational-vibrational, the presence of individual molecules, chemical bonds. All this makes it possible to ensure a high probability of correct detection and to minimize the probability of false identification of the investigated object.

Сущность изобретения поясняется примером реализации способа дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения и чертежами, на которых представлены:The invention is illustrated by an example implementation of a method for remote detection and identification of objects of organic origin and drawings, which show:

фиг.1 - блок-схема устройства для реализации способа;figure 1 - block diagram of a device for implementing the method;

фиг.2 - блок-схема анализаторов спектра 10, 11;figure 2 - block diagram of the spectrum analyzers 10, 11;

фиг.3 - блок-схема вычислителя 12;figure 3 - block diagram of the calculator 12;

фиг.4 - блок-схема блоков синхронизации и управления 5, 13;4 is a block diagram of synchronization and control units 5, 13;

фиг.5 - укрупненная блок-схема алгоритма работы устройства для реализации патентуемого способа.5 is an enlarged block diagram of the algorithm of the device for implementing the patented method.

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.A patented method for remote detection and identification of objects of organic origin is implemented using a device that contains (Fig. 1) a laser source 1 of the first channel, the radiation wavelength of which is λ ₁ = 0.8-l, 6 μm and a laser source 2 of the second channel whose radiation wavelength is λ ₂ = 0.26-0.38 μm. Forming optics 3 and a laser radiation scanning device 4 are installed on the optical axis of the laser sources 1 and 2. Figure 1 shows the direction of the laser radiation from sources 1 and 2 to blocks 3 and 4, to the object of study and from it, to a thin dotted line. receiving optics of the corresponding observation channel. The first inputs of the laser sources 1 and 2 are connected to the first output of the first synchronization and control unit 5, the second output of which is connected to the first input of the scanning device 4. The device also contains a first power supply 6, the first, second, third outputs of which are connected respectively to the second inputs laser radiation sources 1 and 2, the second input of the scanning device 4, the first input of the synchronization and control unit 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.For receiving and analyzing the radiation scattered by the object of study 7 — the Raman spectrum (Raman spectrum), the device contains receiving optics 8, the optical signal from which is fed to the optical input of the spectrum analyzer 10. For receiving and analyzing laser-induced fluorescence (LIF) emitted by the object of study 7, the device contains receiving optics 9, the optical signal from which is fed to the optical input of the spectrum analyzer 11. Spectrum analyzers 10 and 11 are connected with their multi-bit outputs to the first and second rum multi-bit inputs of the computer 12, the first input of which is connected to the first output of the second synchronization and control unit 13, the second output of which is connected to the second inputs of the spectrum analyzers 10 and 11. The second input of the computer 12 is connected to the first output of the second power supply 14, the second, third and the fourth outputs of which are connected respectively to the input of the monitor 15, the first inputs of the spectrum analyzers 10 and 11, the first input of the second synchronization and control unit 13, the second input of which is connected to the first output of the calculator 12, the second the first output of which is connected to the second input of the synchronization and control unit 5. Monitor 15 is connected to the calculator 12 by a multi-bit bi-directional bus.

Источники лазерного излучения 1 и 2 располагают от объекта лазерного зондирования и исследования 7 на расстоянии от 5 до 60 м.Sources of laser radiation 1 and 2 are located from the object of laser sensing and research 7 at a distance of 5 to 60 m

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.Standard lasers can be used as laser sources 1 and 2: for example, laser source 1 (see the book “Infrared laser location systems”; authors: Protopopov VV, Ustinov ND; M .: Voenizdat, 1987, p. 45), and a laser source 2 (see “Physical Encyclopedia”; M .: “Soviet Encyclopedia”, 1988, p. 384). Sources of radiation 1 and 2 allow remote laser sensing of the studied object with a pulse duration of 30 to 200 ns, a pulse repetition rate of 5 to 50 Hz and a radiation energy of up to 0.2 J per pulse.

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.The forming optics 3 provides the required angular divergence of the laser radiation of the two observation channels and can be implemented as an optical lens (see, for example, S. G. Lambert, W. L. Casey. Laser Communications in Space. Artech House, 1995, pp. 119-128). The choice of the value of the angular divergence of laser radiation in each channel is determined experimentally and depends on the type of object under study and its range.

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).The laser scanning device 4 provides remote scanning of space in azimuth and elevation in the range of angles from 0 ° to ± 90 ° for each of the angular coordinates. As the scanning device 4, a well-known design described in the book of S.G. Lambert, W.L. Casey can be used. Laser Communications in Space. Artech House, 1995, p. 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).The first synchronization and control unit 5 provides synchronization of the operation of laser radiation sources 1 and 2 and the scanning device 4, setting the calculated radiation parameters (pulse repetition frequency of laser radiation pulses, range of scanning angles of space).

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).The first power supply unit 6 is connected to a 220 V power supply network and provides power supply to the laser sources 1 and 2, the scanning device 4 and the first synchronization and control unit 5. The power units 6 and 14 are made according to known circuitry (see, for example, Annual The international catalog of optoelectronic devices of foreign companies in 2001 "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).The receiving optics 8 and 9 provide reception of a part of the radiation, respectively, of the Raman and LIF, and the input of the optical signal into the corresponding spectrum analyzer. Structurally, the receiving optical units 8 and 9 can each be implemented as an optical lens (see, for example, S. G. Lambert, W. L. Casey. Laser Communications in Space. Artech House, 1995, pp. 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.Spectrum analyzers 10 and 11 provide the decomposition of the spectrum of the investigated signal, the conversion of the optical signal into an electrical signal and the subsequent measurement of the time-frequency characteristics of the Raman and LIF spectra, transmit the measured parameters of the Raman and LIF spectra to the calculator 12 to form a time-frequency portrait of the studied object.

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).The spectrum analyzers 10 and 11 are identical in circuit design based on standard components and each contains (Fig. 2) a polychromator based on diffraction gratings 16, the optical input of which is the optical input of the spectrum analyzer. The optical output of the polychromator 16 is connected to the optical input of the photodetector 17, which contains an electron-optical brightness amplifier 18, the optical output of which is connected to the optical input of the multi-element photosensitive array 19. The output of the photosensitive array 19 is connected to the first input of the control unit and signal amplification of the photodetector 20, which is multi-bit the output is connected to interface 21, a multi-bit output, which is a multi-bit output of spectrum analyzers 10 and 11. The second and third inputs of the control unit the lasing and amplification of the signals of the photodetector 20 are connected respectively to the third output of the second power supply unit 14 and the second output of the second synchronization and control unit 13. The inputs of the units 18, 19, the second input of the unit 20, the first input of the interface 21 are connected to the third output of the second power supply 14. The second the input of the interface 21 is connected to the second output of the second synchronization and control unit 13. As one of the possible specific implementations of the spectrum analyzers 9 and 11, spectrum analyzers of the type: HP 71450V, HB 71451B, 71400C, 70880A manufactured Hewlett Packard Company (catalog of Test & Mesurement, HP, 1996, pp. 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.Thus, the device for implementing the developed method for remote detection and identification of objects of organic origin is a two-channel information-measuring system, each channel of which carries out independent laser sensing of the object of study, measuring and recording the parameters of the response of the object of study to laser excitation. The first channel contains a laser source 1, forming optics 3, a scanning device 4, receiving optics 8, a spectrum analyzer 10. The second channel contains a laser source 2, forming optics 3, a scanning device 4, receiving optics 10 and a spectrum analyzer 11. The first and the second channels of the device are connected to the calculator 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).The calculator 12 provides the formation of the time-frequency portrait of the investigated object, comparing the time-frequency portrait of the studied object with the time-frequency passports of the reference samples located in the memory of the calculator, and the identification of the studied object. The calculator 12 can be performed, for example, in the form of a system unit of a personal computer (from serial purchased units), which contains (Fig. 3) a case 22 (midi-tower ATX brand), a power supply 23 (model AL 230W), a processor 24 ( type Intel Pentium-2 333 MHz), memory 25 (brand SDRAM 64 MB), hard disk 26 (type Seagate 8.6 GB), input / output controllers: controller 27 RS-232, keyboard controller 28; video card 29 (S3 brand Savage 3D 8 MB), printer controller 30 (Centro-nix type), keyboard 31 (BTC Turbo-PS / 2 type), motherboard 32 (Asustec P2B brand).

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.).The first synchronization and control unit 5 and the second synchronization and control unit 13 are implemented based on standard elements, for example, according to the circuit shown in Fig. 4. The synchronization and control unit 5 (13) contains a sinusoidal voltage generator 33 at a frequency of 1 MHz, a reprogrammable read-only memory (ROM) -34, a control code generator 35, and a control command generator 36. Examples of specific implementation of blocks 33-36 are given in the book “Methods” automation of physical experiments and computer-based installations ”(author: Stupin Yu.V .; M .: Energoatomizdat, 1983, 288 pp.).

Патентуемый способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения осуществляют следующим образом.A patented method for remote detection and identification of objects of organic origin is as follows.

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.Depending on the type of object of the forthcoming study, a device that implements remote detection and identification of objects of organic origin is equipped with laser sources 1 and 2 with radiation wavelengths corresponding to the main absorption band of the object under study. For example, for a laser source 1 of the first channel, a laser with a radiation wavelength λ ₁ = 1,064 μm is taken (first harmonic of a YAG: Nd laser, λ ₁ = 1,064 μm), and for a laser source 2 of a second channel, a laser with a radiation wavelength λ ₂ = 0.337 μm (nitrogen laser generation line). Using the synchronization and control unit 5, the necessary parameters for irradiating the space with the desired object are set in the laser sources 1 and 2 and in the scanning device 4. Set the required angular divergence of the laser radiation in each channel.

Согласно патентуемому способу предварительно осуществляют формирование частотно-временного паспорта одного или нескольких эталонных образцов, который записывают в память вычислителя 12.According to the patented method, the time-frequency passport of one or more reference samples is preliminarily formed, which is recorded in the memory of the calculator 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.An enlarged block diagram of the algorithm of the device to implement the claimed method of detection and identification is shown in Fig.5. A full and detailed description of the software product for the implementation of the patented method is set forth in the technical documentation of the applicant.

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.For each channel, a pulse duration of 10 ns, a pulse repetition rate of 50 Hz, and a pulse radiation energy of 0.1 J are set. Then, the laser sources 1 and 2 are turned on and laser radiation is supplied through the forming optics 3 to the scanning device 4. The scanning device 4 scans spaces with the investigated object. The desired object, if it is in the scanning space, is exposed to laser radiation at wavelengths λ ₁ and λ ₂ . If radiation spectra are detected that, according to the main parameters (for example, the position on the frequency axis of the maxima of the two or three most intense spectral lines) correlate with the radiation spectrum of the reference samples (or sample), the space scan is stopped. Direct the laser radiation of the first and second observation channels to a selected area of space.

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.In the interaction of laser radiation (wavelength λ ₁ ) with the object under investigation as a result of inelastic scattering in the first observation channel, a Raman spectrum is formed, and in the interaction of laser radiation (wavelength λ ₂ ) with the object studied in the second observation channel, a laser-induced fluorescence spectrum is formed .

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.In the first channel, a scheme is implemented for observing characteristic spectral lines — Raman spectra (Raman spectra) as the response of the object under study to excitation by intense laser radiation (first harmonic of a YAG: Nd laser, λ ₁ = 1.064 μm). The Raman spectrum is a set of narrow lines shifted to the right and left relative to the excitation line λ ₁ . The location of the lines in the Raman spectrum is determined by the combination of the exciting frequency and the transition frequencies between the rotational-vibrational levels of the molecular object; therefore, the detuning of characteristic lines from the excitation line is an unambiguous characteristic of the observed object. In addition, the intensity of the Raman signal is directly proportional to the density of scattering molecules and does not depend on the presence of other molecules and the background.

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.The second channel of laser radiation λ ₂ implements a remote sensing scheme based on the method of laser-induced fluorescence (LIF). The spectrum observed in this case, as is known, is the LIF spectrum shifted to the long-wavelength region relative to the exciting line λ ₂ = 337 nm of a nitrogen laser — a complex characteristic spectrum reflecting the envelope of all rotational-vibrational transitions from the excited state to the ground level of the molecule. The differential scattering cross section for the LIF method is several orders of magnitude larger than the Raman method, and therefore this method can be effectively used to study objects distant up to 60 m. The LIF spectra are individual for each molecular object. In practice, when dealing with complex molecular compounds, especially with “related” molecular objects, such as herbaceous monocotyledonous plants, light gasolines, etc., for which the LIF spectra are almost the same, use only the integral characteristics of the LIF spectra for reliable identification of observed objects is not always possible. To eliminate this drawback, in the patented method it is envisaged to register a number of its parameters in addition to the integral characteristics of the spectrum when examining objects using the LIF method. The spectrum is recorded several times (from 2 to 10 times). After the first registration, the spectrum is divided into a number of bands - sections of the spectrum (either of equal width, or according to a specific algorithm in accordance with the characteristics of the obtained spectrum). For each band, characteristic parameters are found that vary markedly with structural differences of “related” substances.

Такими параметрами служат:These parameters are:

- средняя интенсивность в каждой полосе;- average intensity in each band;

- ширина каждой полосы;- the width of each strip;

- интенсивность спектра в полосе, отнесенная к ее ширине;- the intensity of the spectrum in the strip, referred to its width;

- отношение интенсивностей спектра различных полос;- the ratio of the intensities of the spectrum of different bands;

- время распада флуоресценции в каждой полосе после прекращения лазерного импульсного зондирования;- the decay time of fluorescence in each band after the termination of laser pulse sounding;

- спектр затухания флуоресценции во времени.is the fluorescence decay spectrum over time.

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.Since the LIF spectrum is formed as a response to the excitation of rotational-vibrational transitions corresponding to different states of the molecule, molecular bonds and even different molecules, and their contribution to the intensity of the bands is different, this is manifested in the scatter of the values of the above parameters. These parameters turn out to be sensitive to the structural differences of “related” substances, and thus even with the coincidence of the LIF spectra of “related” substances, we obtain additional “individual” signs of the observed object and, accordingly, the possibilities of identification expand. The selected and measured parameters of the Raman spectrum and LIF form a “visiting card” of the investigated substance (object), which is the so-called time-frequency portrait of the object of observation.

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.In the process of remote sensing of an object by laser radiation with wavelengths λ ₁ and λ ₂ , the response of the studied object to the corresponding excitation is recorded and recorded, for this part of the Raman scattering and laser-induced fluorescence are separately collected by receiving optics 8 and 9 of the first and second channels and served respectively in the spectrum analyzers 10 and 11 of the first and second channels. In spectrum analyzers 10 and 11, respectively, the parameters of Raman scattering (Raman scattering), laser-induced fluorescence (LIF) are measured, which are fed to a computer 12, where they form a time-frequency portrait of the object under study. Identification of the test object is carried out by comparing the time-frequency portrait of the test object with the time-frequency passport of one or more reference samples previously stored in the memory of the calculator 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.Preparation of the time-frequency passport of a reference sample or several samples is carried out in accordance with the present patented method in advance in the laboratory. The obtained reference parameters of the test sample or samples are entered into the memory of the calculator 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%).The patented method for remote detection and identification of objects of organic origin has passed successful tests, which have confirmed in practice that this method allows real-time, at a distance of up to 60 m to carry out rapid analysis, detect and identify a wide range of samples with a high probability of correct detection (about 80 -90%).

Claims

1. A method for remote detection and identification of objects of organic origin, including remote pulsed sounding of the test sample by radiation, registration and recording of the radiation spectra of the sample, comparing the characteristics of the radiation spectra of the reference sample and the test object, characterized in that two channels are formed for conducting remote pulse sounding of the test object observations, in the first channel for remote pulsed sounding using laser radiation with a linear wave in the spectral range of λ ₁ = 0.8-1.6 μm, and in the second channel for remote pulse sounding using laser radiation with a wavelength in the range of λ ₂ = 0.26-0.38 μm, the time-frequency is preliminarily formed the passport of one or more reference samples is recorded in the memory of the calculator, the required angular divergence of the laser radiation is formed in each observation channel and the laser radiation of the channels is used for separate scanning of the space with the object under study, when detecting the radiation spectra eniya that on the basic parameters correlated with the reference sample of the radiation spectrum, scan space is stopped, the direct laser light channels at the selected region of space in the presence of this region of space object of organic origin as a result of its interaction with radiation λ ₁ in a first observation channel is formed light Raman scattering, and as a result of interaction of the object with the radiation λ ₂ in the second channel forming a laser-induced fluorescence, after which about They record and record the radiation spectra of the object under study, for this part of the Raman energy and laser-induced fluorescence are separately collected by the receiving optics of the corresponding observation channel and fed respectively to the spectrum analyzers of the first and second channels, where the parameters of the Raman and laser-induced fluorescence spectra are respectively determined. which are fed to the calculator, where they form the time-frequency portrait of the object under study, while identifying ation of the test object is performed by comparing the time-frequency test object portrait time-frequency passport one or more reference samples, pre-recorded in the memory of the calculator.

2. The method of detection and identification according to claim 1, characterized in that the remote sensing of the test object is carried out with a laser pulse duration of 30 to 200 ns, a pulse repetition rate of 5 to 50 Hz, radiation energy per pulse up to 0.2 J.

3. The detection and identification method according to claim 1, characterized in that for the formation of the time-frequency passport of one or more reference samples and for the formation of the time-frequency portrait of the investigated object in the first observation channel, Raman spectrum parameters are used and the spectral line shifts are measured in spectrum relative to the probe radiation line λ ₁ with signal accumulation in 2-10 measurements, and in the second observation channel, the parameters of the spectrum of laser-induced fluorescence from probe radiation λ ₂ with the accumulation of the signal in 2-10 measurements, for which, after the first measurement, the spectrum is “divided” into a number of bands - sections and the average intensity in each strip, the width of each strip, the spectrum intensity in the strip, related to its width, are measured, the ratio the intensities of the spectrum of different bands, the decay time of the fluorescence in each band after the termination of laser pulse sounding, the fluorescence decay spectrum in time.