RU2753612C1 - Multichannel fiber-optic near-infrared heterodyne spectroradiometer - Google Patents
Multichannel fiber-optic near-infrared heterodyne spectroradiometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2753612C1 RU2753612C1 RU2021101111A RU2021101111A RU2753612C1 RU 2753612 C1 RU2753612 C1 RU 2753612C1 RU 2021101111 A RU2021101111 A RU 2021101111A RU 2021101111 A RU2021101111 A RU 2021101111A RU 2753612 C1 RU2753612 C1 RU 2753612C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- signal
- spectroradiometer
- heterodyne
- fiber
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 44
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 39
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 27
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 15
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 abstract description 9
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 11
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 8
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 6
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000005437 stratosphere Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 239000005436 troposphere Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к инфракрасной спектрорадиометрии высокого разрешения, позволяющей регистрировать изолированные линии поглощения молекулярных газов со сверхвысоким спектральным разрешением в ближнем инфракрасном диапазоне. Изобретение может быть использовано для дистанционного измерения концентрации парниковых газов (ПГ) и загрязняющих веществ (ЗВ), содержащихся в атмосфере Земли. Измерения могут проводиться как с наземных измерительных станций, предназначенных для локальных измерений долговременной динамики изменения содержания ПГ и ЗВ, так и с мобильных платформ, например, беспилотных или управляемых летательных аппаратов и орбитальных зондов, для охвата обширных территорий и построения карт глобального распределения уровня содержания ПГ и ЗВ в атмосфере. Сверхвысокое спектральное разрешение позволяет получать пространственное распределение ПГ и ЗВ в столбе атмосферы в точке измерения, а также определять проекцию скорости воздушного потока на направление линии визирования. Таким образом, представляемое изобретение является надежным, компактным и высокоточным измерительным прибором для исследования состава и структуры атмосферы и дистанционного контроля содержания ПГ (СН4, СО2, H2O и O2) и ЗВ (СО и NO2).The invention relates to high-resolution infrared spectroradiometry, which allows recording isolated absorption lines of molecular gases with ultra-high spectral resolution in the near infrared range. The invention can be used for remote measurement of the concentration of greenhouse gases (GHG) and pollutants (Pollutants) contained in the Earth's atmosphere. Measurements can be carried out both from ground-based measuring stations intended for local measurements of the long-term dynamics of changes in the content of GHGs and pollutants, and from mobile platforms, for example, unmanned or guided aerial vehicles and orbital probes, to cover vast territories and build maps of the global distribution of the GHG content. and pollutants in the atmosphere. Ultra-high spectral resolution allows one to obtain the spatial distribution of GHGs and pollutants in the atmospheric column at the measurement point, as well as to determine the projection of the air flow velocity on the direction of the line of sight. Thus, the presented invention is a reliable, compact and high-precision measuring device for studying the composition and structure of the atmosphere and remote monitoring of the content of GHGs (CH 4 , CO 2 , H 2 O and O 2 ) and pollutants (CO and NO 2 ).
Сущность метода гетеродинной регистрации исследуемого сигнала заключается в смешении исследуемого излучения с излучением локального осциллятора (гетеродином) на квадратичном приемнике и анализе биений, возникающих на промежуточной частоте. Гетеродинная спектроскопия позволяет осуществлять высокоточные измерения слабых сигналов с высоким спектральным разрешением. Приборы, функционирующие на основе гетеродинного метода регистрации сигнала, широко применяются в радиочастотном диапазоне.The essence of the method of heterodyne registration of the signal under study is mixing the investigated radiation with the radiation of a local oscillator (heterodyne) on a quadratic receiver and analyzing the beats that occur at the intermediate frequency. Heterodyne spectroscopy enables highly accurate measurements of weak signals with high spectral resolution. Devices operating on the basis of the heterodyne signal registration method are widely used in the radio frequency range.
Из существующего уровня техники известен ряд волоконных гетеродинных спектрорадиометров, например, в патентах США № US 8699029 (В2) (1) и Китая № CN 106382987 (А) (2) описаны компактные спектрорадиометры в основе которых лежит принцип гетеродинирования, которые используются для измерения концентрации основных парниковых газов (CH4, СО2 и H2O) в атмосфере по спектру поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне. Перечисленные аналоги обладают рядом недостатков:A number of fiber heterodyne spectroradiometers are known from the prior art, for example, US Pat. the main greenhouse gases (CH 4 , CO 2 and H 2 O) in the atmosphere by the absorption spectrum in the near infrared range. The listed analogs have a number of disadvantages:
1. Существенно более низкое спектральное разрешение, что, в свою очередь, снижает информативность измерений.1. Significantly lower spectral resolution, which, in turn, reduces the information content of measurements.
2. Приведенные аналоги не имеют дополнительной системы стабилизации частоты локального осциллятора, что приводит к дрейфу частоты гетеродина в процессе измерения и снижению точности получаемых результатов.2. The given analogs do not have an additional system for stabilizing the frequency of the local oscillator, which leads to a drift of the local oscillator frequency during the measurement and a decrease in the accuracy of the results obtained.
3. В электрических схемах обработки сигнала на промежуточной частоте в описываемых аналогах используются амплитудные детекторы на основе полупроводниковых диодов, которые вносят нелинейность в детектируемый сигнал и снижают точность обработки измеряемых данных.3. In electrical circuits for signal processing at an intermediate frequency in the described analogs, amplitude detectors based on semiconductor diodes are used, which introduce nonlinearity into the detected signal and reduce the accuracy of processing the measured data.
4. Указанные аналоги работают в одноканальном режиме, следовательно, мощность детектируемого сигнала ограничена условиями антенной теоремы (3), что приводит к увеличению времени накопления сигнала, требуемого для получения удовлетворительного отношения «сигнал/шум».4. These analogs operate in a single-channel mode, therefore, the power of the detected signal is limited by the conditions of the antenna theorem (3), which leads to an increase in the signal accumulation time required to obtain a satisfactory signal-to-noise ratio.
Перечисленные недостатки не позволяют достичь высокого спектрального разрешения, необходимой точности, быстродействия и надежности алгоритмов обработки измеряемых результатов, которые обеспечиваются заявляемым изобретением.The listed disadvantages do not allow achieving high spectral resolution, the required accuracy, speed and reliability of the algorithms for processing the measured results, which are provided by the claimed invention.
Наиболее близким к заявленному изобретению является гетеродинный волоконно-оптический спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона, описанный в патенте № RU 121927 (U1) (4), который используется для измерения концентрации метана в атмосфере в окрестности длины волны 1,651 мкм.Closest to the claimed invention is a near infrared heterodyne fiber optic spectroradiometer described in patent No. RU 121927 (U1) (4), which is used to measure the concentration of methane in the atmosphere in the vicinity of a wavelength of 1.651 μm.
Одномодовое кварцевое волокно используется в качестве оптической системы. Совмещение волновых фронтов излучения регистрируемого сигнала и гетеродина реализовано за счет использования волоконного одномодового кварцевого разветвителя, который используется в качестве диплексора. Также волоконный одномодовый кварцевый разветвитель используется для разделения излучения гетеродина между измерительными каналами. Регистрируемое излучение заводится в оптическую систему с помощью короткофокусной линзы. В качестве гетеродина используется перестраиваемый диодный лазер с распределенной обратной связью, работающий на длине волны 1,651 мкм. Устройство имеет два измерительных канала: аналитический и реперный. Реперный канал представляет собой стеклянную однопроходную кювету, заполненную метаном, с электронным блоком регистрации и усиления сигнала. Аналитический канал представляет собой полупроводниковый фотодетектор с электронным блоком усиления и фильтрации сигнала в узкой полосе на промежуточных частотах. Согласно результатам, приведенным в работе (5), рассматриваемая полезная модель позволяет в режиме прямого наблюдения Солнца измерять содержание метана в атмосфере с точностью не хуже 1%. Время накопления сигнала составляет 20 минут, при котором отношение «сигнал/шум» составляет около 100.Single mode silica fiber is used as an optical system. The combination of wavefronts of the radiation of the recorded signal and the local oscillator is realized through the use of a fiber single-mode quartz splitter, which is used as a diplexer. Also, a fiber single-mode quartz splitter is used to separate the heterodyne radiation between the measurement channels. The registered radiation is fed into the optical system using a short-focus lens. A tunable distributed feedback diode laser operating at a wavelength of 1.651 μm is used as a local oscillator. The device has two measuring channels: analytical and reference. The reference channel is a glass single-pass cell filled with methane with an electronic unit for signal registration and amplification. The analytical channel is a semiconductor photodetector with an electronic unit for amplifying and filtering a signal in a narrow band at intermediate frequencies. According to the results given in (5), the considered utility model allows in the direct observation of the Sun to measure the methane content in the atmosphere with an accuracy of no worse than 1%. The signal accumulation time is 20 minutes, at which the signal-to-noise ratio is about 100.
Данная полезная модель обладает рядом недостатков:This utility model has a number of disadvantages:
1. В качестве реперного канала используется однопроходная стеклянная оптическая кювета. Данное техническое решение подходит для измерения тех газов, содержание которых в атмосфере невелико. Например, для измерения концентрации углекислого газа или водяного пара в атмосфере использование однопроходной кюветы в реперном канале недопустимо.1. A single-pass glass optical cell is used as a reference channel. This technical solution is suitable for measuring those gases, the content of which in the atmosphere is low. For example, to measure the concentration of carbon dioxide or water vapor in the atmosphere, the use of a single-pass cell in the reference channel is unacceptable.
2. Из работы (5) известно, что для регистрации сигнала на промежуточной частоте используется амплитудный детектор на основе полупроводникового диода, который вносит значительную нелинейность в измеряемый сигнал, что в свою очередь приводит к усложнению процедуры обработки и снижению точности измеряемых данных.2. It is known from work (5) that an amplitude detector based on a semiconductor diode is used to register a signal at an intermediate frequency, which introduces significant nonlinearity into the measured signal, which in turn leads to a complication of the processing procedure and a decrease in the accuracy of the measured data.
3. Мощность регистрируемого сигнала ограничена условием антенной теоремы (3), что приводит к необходимости длительного (до 20 минут) накопления сигнала для достижения приемлемого отношения «сигнал/шум», равного 100.3. The power of the recorded signal is limited by the condition of the antenna theorem (3), which leads to the need for a long (up to 20 minutes) signal accumulation to achieve an acceptable signal-to-noise ratio equal to 100.
4. При проведении измерений в гетеродинном режиме необходимо измерять уровень мощности шумов гетеродина, т.е. темновой сигнал, соответствующий режиму, когда на фотодетектор попадает лишь излучение гетеродина. В описываемой модели темновой сигнал измеряется посредством включения/выключения регистрируемого сигнала, падающего на квадратичный детектор, с помощью прерывателя в последовательном режиме, что приводило к увеличению времени накопления регистрируемого сигнала в два раза.4. When making measurements in the heterodyne mode, it is necessary to measure the noise power level of the local oscillator, ie. a dark signal corresponding to the mode when only the heterodyne radiation falls on the photodetector. In the described model, the dark signal is measured by turning on / off the recorded signal incident on the square-law detector using a chopper in a sequential mode, which led to a twofold increase in the accumulation time of the recorded signal.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание многоканального волоконно-оптического лазерного гетеродинного спектрорадиометра высокого разрешения ближнего инфракрасного диапазона для одновременного измерения нескольких атмосферных ПГ и ЗВ, который позволил бы значительно сократить время накопления сигнала, увеличить отношение сигнал/шум и увеличить чувствительность и точность проводимых измерений.The task to be solved by the claimed invention is to create a multi-channel fiber-optic laser heterodyne spectroradiometer of high resolution near infrared range for the simultaneous measurement of several atmospheric PGs and pollutants, which would significantly reduce the signal accumulation time, increase the signal-to-noise ratio and increase the sensitivity, and the accuracy of the measurements.
Задача решается за счет того, что предлагается многоканальный волоконно-оптический гетеродинный спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона, характеризующегося тем, что включает в себя систему, содержащую по меньшей мере два оптических приемных устройства, прерыватель принимаемого оптического сигнала, гетеродин с высокоточной стабилизацией частоты оптического излучения и одномодовым волоконным выводом, кварцевые одномодовые волоконные разветвители сплавного и планарного типов, используемые как для разделения, так и для совмещения оптических сигналов, реперный канал, состоящий из оптической кюветы и электронного блока регистрации оптического сигнала, систему аналитических каналов, состоящих из фотодиода и предусилителя с узкой полосой пропускания, блок обработки сигнала на промежуточной частоте, включающий систему аналого-цифровой преобразователь и вычислительный блок на основе ПЛИС, и блок управляющей электроники, включающий прецизионный перестраиваемый источник тока гетеродина.The problem is solved due to the fact that a multichannel fiber-optic heterodyne spectroradiometer for the near infrared range is proposed, characterized in that it includes a system containing at least two optical receiving devices, a chopper for the received optical signal, a heterodyne with high-precision frequency stabilization of optical radiation and single-mode fiber output, quartz single-mode fiber splitters of fused and planar types, used both for separation and for combining optical signals, a reference channel consisting of an optical cell and an electronic unit for recording an optical signal, a system of analytical channels consisting of a photodiode and a narrow-band preamplifier transmission, a signal processing unit at an intermediate frequency, including an analog-to-digital converter system and an FPGA-based computing unit, and a control electronics unit including a precision tunable local oscillator current source.
Возможны дополнительные варианты выполнения многоканального волоконно-оптического гетеродинного спектрорадиометра, в которых целесообразно, чтобы:Additional options for the implementation of a multichannel fiber-optic heterodyne spectroradiometer are possible, in which it is advisable that:
• кюветой реперного канала являлась многопроходная оптическая кювета, работающая по принципу регистрации интегрального внутрирезонаторного выходного излучения;• the cuvette of the reference channel was a multipass optical cuvette operating according to the principle of registration of integral intracavity output radiation;
• прерывателем принимаемого оптического сигнала являлся волоконный переключатель на основе микроэлектромеханических систем;• the chopper of the received optical signal was a fiber switch based on microelectromechanical systems;
• оптическим приемным устройством являлся одномодовый волоконный коллиматор с градиентной линзой.• the optical receiver was a single-mode fiber collimator with a gradient lens.
• количество оптических приемных устройств и аналитических каналов составляет от от 2 до 8 единиц.• the number of optical receiving devices and analytical channels ranges from 2 to 8 units.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является значительное повышение чувствительности определения концентраций ПГ или ЗВ за более короткий промежуток времени, за счет использования многоканальной системы регистрации исследуемого сигнала и синхронного измерения темнового и смешанного сигналов.The technical result provided by the above set of features is a significant increase in the sensitivity of determining the concentrations of PG or pollutants in a shorter period of time, due to the use of a multichannel system for recording the signal under study and synchronous measurement of dark and mixed signals.
Заявляемое изобретение обладает рядом преимуществ по сравнению с наиболее близким ее аналогом (4):The claimed invention has a number of advantages over its closest analogue (4):
1) Появилась возможность детектирования слабых спектральных линий, атмосферных газов, таких как СО2 и H2O за счет использования в реперном канале многопроходной оптической кюветы, основанной на принципе регистрации интегрального внутрирезонаторного выходного излучения, которая позволяет достичь эффективного оптического пути 30 м. Принцип работы подобной оптической системы описан в работе (6).1) The possibility of detecting weak spectral lines, atmospheric gases, such as CO 2 and H 2 O, has appeared due to the use of a multi-pass optical cell in the reference channel, based on the principle of registration of integral intracavity output radiation, which makes it possible to achieve an effective optical path of 30 m. of such an optical system is described in (6).
2) В качестве анализатора сигнала на промежуточной частоте используется разработанный авторским коллективом электронный блок анализа сигнала на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), который не вносит дополнительных искажений в сигнал во время его обработки.2) As a signal analyzer at an intermediate frequency, an electronic signal analysis unit developed by the author's team is used based on a programmable logic integrated circuit (FPGA), which does not introduce additional distortions into the signal during its processing.
3) Для преодоления условия антенной теоремы, ограничивающей поле зрения гетеродинного спектрорадиометра, применена концепция многоканальности, заключающаяся в одновременном использовании нескольких независимых, идентичных каналов, осуществляющих регистрацию сигнала. Данное техническое решение позволяет при фиксированном времени накопления увеличить отношение «сигнал/шум» пропорционально квадратному корню из количества каналов.3) To overcome the condition of the antenna theorem limiting the field of view of the heterodyne spectroradiometer, the concept of multichannel is applied, which consists in the simultaneous use of several independent, identical channels that register the signal. This technical solution allows for a fixed accumulation time to increase the signal-to-noise ratio in proportion to the square root of the number of channels.
4) Прерывание сигнала реализовано на основе волоконного переключателя таким образом, что темновой и смешанный сигналы измеряются в течение одного цикла сканирования частоты гетеродина. Таким образом, в параллельном режиме непрерывно регистрируется два сигнала - темновой и смешанный. Данная модификация позволяет сократить время накопления сигнала в два раза.4) The signal chopping is implemented on the basis of a fiber switch in such a way that the dark and mixed signals are measured during one scan cycle of the local oscillator frequency. Thus, in parallel mode, two signals are continuously recorded - dark and mixed. This modification makes it possible to halve the signal accumulation time.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The essence of the invention is illustrated by drawings, which show:
На фиг. 1 - представлена принципиальная блок-схема многоканального волоконно-оптического гетеродинного спектрорадиометра ближнего инфракрасного диапазона;FIG. 1 is a schematic block diagram of a multichannel fiber-optic heterodyne spectroradiometer for the near infrared range;
На фиг. 2 - представлена зависимость пропускания атмосферы от волнового числа для линии поглощения метана;FIG. 2 - shows the dependence of the atmospheric transmission on the wavenumber for the absorption line of methane;
На фиг. 3 - представлена зависимость пропускания атмосферы от волнового числа для линии поглощения углекислого газа.FIG. 3 shows the dependence of the atmospheric transmission on the wavenumber for the absorption line of carbon dioxide.
Многоканальный волоконно-оптический гетеродинный спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона состоит из следующих компонент: гетеродин 1, роль которого играет перестраиваемый полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью и волоконным выводом излучения; одномодовое кварцевое волокно 2; волоконный разветвитель сварного типа 3; волоконный разветвитель планарного типа 4; диплексоры 5, в качестве которых используются волоконные разветвители сварного типа; система оптических приемных устройств 6, роль которых играют короткофокусные асферические линзы; прерыватель фронта принимаемого излучения 7; система аналитических каналов 8, которые включают в себя фотоприемник 9, трансимпедансный предусилитель и каскад полосовых фильтров 10 с узкой полосой пропускания; анализатор сигнала на промежуточной частоте 11, включающего систему оцифровки сигнала 12 и вычислительный блок 13 на основе ПЛИС; реперный канал 14, состоящий из оптической кюветы 15, заполненной исследуемым газом, и блока регистрации сигнала 16; блок управляющей электроники 17.The multichannel fiber-optic heterodyne spectroradiometer of the near infrared range consists of the following components: heterodyne 1, the role of which is played by a tunable semiconductor laser with distributed feedback and fiber output of radiation; single-
Описываемое устройство работает следующим образом: гетеродин 1 модулируется пилообразными импульсами тока накачки с помощью блока управляющей электроники 17, что обеспечивает перестройку частоты излучения для охвата спектральной области вблизи измеряемой линии поглощения. Излучение локального осциллятора 1 распространяется по одномодовому кварцевому волокну 2 и разделяется волоконным разветвителем сварного типа 3 на две части, одна из которых идет в реперный канал 14, а другая часть попадает на волоконный разветвитель планарного типа 4. Волоконный разветвитель планарного типа 4 поровну делит пришедшее излучение на две части и отправляет на входы диплексоров 5. Излучение от системы оптических приемных устройств 6 смешивается с излучением гетеродина 1 в системе диплексоров 5 и отправляется к системе аналитических измерительных каналов 8, где на один из каналов попадает смешанное излучение, предварительно модулированное прерывателем 7. В каждом аналитическом канале смешанное излучение регистрируется фотоприемником 9, сигнал с которого усиливается и фильтруется трансимпедансным усилителем и каскадом полосовых фильтров 10. Сигналы аналитических каналов поступают на входы анализатора сигнала на промежуточной частоте 11, где они конвертируются аналого-цифровым преобразователем 12, а затем подаются на входы электронного вычислительного блока на основе ПЛИС 13, где происходит вычисление дисперсии шумовой компоненты регистрируемого сигнала, которая пропорциональна спектральной плотности анализируемого излучения в сканируемом диапазоне частот локального осциллятора 1. Результаты вычислений электронного вычислительного блока на основе ПЛИС 13 передаются на персональный компьютер для усреднения, сохранения и дальнейшей обработки. Стабилизация частоты гетеродина 1 обеспечивается реперным каналом 14 с высокой точностью, где излучение гетеродина 1 через волоконный разветвитель 3 попадает в оптическую кювету 15. С помощью блока регистрации сигнала 16 наблюдается линия поглощения в оптической кювете 15. На основе анализа положения линии происходит стабилизация частоты гетеродина с точностью в диапазоне 2-5 МГц, в зависимости от типа оптической кюветы 15, используемой в устройстве. Регистрация сигнала промежуточных частот осуществляется в узкой полосе предусилителя (в фиксированном диапазоне от 1 до 25 МГц) при сканировании частоты гетеродина 1 в фиксированном диапазоне 10-60 ГГц.The described device operates as follows: the
В качестве прерывателя фронта регистрируемого излучения 7, может быть использован волоконный оптический переключатель любого типа, обеспечивающий необходимое быстродействие и степень подавления регистрируемого сигнала в волоконную оптическую систему в перекрытом состоянии. В качестве фотоприемника 9 может быть использовано любое устройство, функционирующее в заданном диапазоне спектра, обладающее чувствительностью, достаточной для регистрации дробовых шумов фототока в полосе промежуточных частот, и внутренней емкостью, обеспечивающей заданную полосу. В качестве гетеродина может быть использован любой одномодовый перестраиваемый лазер с волоконным выводом излучения, диапазон и точность перестройки которого достаточны для обеспечения развертки спектра анализируемого излучения. В качестве кюветы 15 реперного канала 14 может быть использована оптическая кювета любого типа, обеспечивающая необходимый оптический путь для наблюдения интересующей спектральной линии. Дробовой шум фототока должен быть доминирующим источником шумов системы, т.е. должен преобладать над собственными шумами аналитических каналов 8 и над амплитудными шумами гетеродина 1, чтобы обеспечить максимальную чувствительность измерительной аппаратуры.A fiber optical switch of any type can be used as the breaker of the front of the detected
В качестве примера конкретной реализации описываемого изобретения может быть представлен многоканальный волоконно-оптический гетеродинный спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона, включающий дважды продублированную схему гетеродинного спекрорадиометра, описанную выше, для одновременного измерения концентрации двух парниковых газов: метана и углекислого газа. Каждая часть спектрорадиометра, отвечающая за измерение отдельного газа, содержит: 1 - диодный лазер с распределенной обратной связью и длиной волны 1,605 мкм для измерения углекислого газа и 1,655 мкм для измерения метана; 2 - одномодовое кварцевое волокно 10/125 мкм; 3 - волоконный разветвитель сварного типа на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм с коэффициентами деления 10/90; 4 - волоконный разветвитель планарного типа на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм; 5 - пару диплексоров, функцию которых выполняют волоконные разветвители сварного типа на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм с коэффициентами деления 10/90; 6 - пару асферических линз диаметром 25 мм и фокусным расстоянием 50 мм; 7 - прерыватель фронта принимаемого излучения на основе микроэлектромеханической системы, интегрированной в компактный корпус с размерами 20×50 мм, с волоконными выводами на основе одномодового кварцевого волокна 10/125 мкм; 8 - пару аналитических каналов, включающих 9 - InGaAs фотодиод с площадью чувствительной площадки 4 мм2 и корпусом для монтажа волоконных наконечников типа FC/PC, и 10 - трансимпедансный предусилитель с сопротивлением обратной связи 4 кОм и каскадом полосовых фильтров с полосой пропускания 200 кГц-3 МГц; 11 - анализатор сигнала на промежуточной частоте, включающий 12 - систему оцифровки сигнала, состоящую из 4 аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с разрядностью 8 бит (по два АЦП для измерения каждого газа) и 13 - электронный вычислительный блок на основе ПЛИС серии Cyclone III, который выполняет обработку сигналов одновременно от двух аналитических каналов 8, измеряющих углекислый газ, и двух аналитических каналов 8, измеряющих метан; 14 - реперный канал, включающий 15 - однопроходную оптическую стеклянную кювету длиной 40 мм, заполненную метаном при давлении 1000 Па в канале измерения метана, и 15 - многопроходную оптическую кювету, работающую по принципу регистрации интегрального внутрирезонаторного выходного излучения, длиной 0,3 м и эффективным оптическим путем 30 м, заполненной углекислым газом при давлении 1000 Па, для измерения углекислого газа, а также 16 - блок регистрации сигнала прошедшего через оптическую кювету, состоящий из InGaAs фотодиода с площадью чувствительной площадки 4 мм2 и трансимпедансного усилителя с сопротивлением обратной связи 1 кОм; 17 - блок управляющей электроники на основе NI-USB-6215.As an example of a specific implementation of the described invention, a multichannel fiber-optic heterodyne spectroradiometer of the near infrared range can be presented, including a double-duplicated heterodyne spectroradiometer circuit described above, for simultaneous measurement of the concentration of two greenhouse gases: methane and carbon dioxide. Each part of the spectroradiometer, which is responsible for measuring a separate gas, contains: 1 - diode laser with distributed feedback and a wavelength of 1.605 µm for measuring carbon dioxide and 1.655 µm for measuring methane; 2 - single-mode silica fiber 10/125 microns; 3 - fiber splitter of welded type based on single-mode quartz fiber 10/125 µm with division ratio 10/90; 4 - planar type fiber splitter based on 10/125 µm single-mode quartz fiber; 5 - a pair of diplexers, the function of which is performed by fiber couplers of a welded type based on a single-mode quartz fiber 10/125 µm with a division ratio of 10/90; 6 - a pair of aspherical lenses with a diameter of 25 mm and a focal length of 50 mm; 7 - interrupter of the front of the received radiation based on a microelectromechanical system, integrated into a compact case with dimensions of 20 × 50 mm, with fiber leads based on a single-mode quartz fiber 10/125 µm; 8 - a pair of analytical channels, including 9 - InGaAs photodiode with a sensitive area of 4 mm 2 and a housing for mounting fiber tips of the FC / PC type, and 10 - a transimpedance preamplifier with a 4 kOhm feedback resistance and a cascade of bandpass filters with a passband of 200 kHz - 3 MHz; 11 - signal analyzer at an intermediate frequency, including 12 - a signal digitizing system consisting of 4 analog-to-digital converters (ADC) with a width of 8 bits (two ADCs for measuring each gas) and 13 - an electronic computing unit based on FPGAs of the Cyclone III series that performs signal processing simultaneously from two analytical channels 8, measuring carbon dioxide, and two analytical channels 8, measuring methane; 14 - reference channel, including 15 - single-pass optical glass cuvette 40 mm long, filled with methane at a pressure of 1000 Pa in the methane measurement channel, and 15 - multi-pass optical cell operating on the principle of recording integral intracavity output radiation, 0.3 m long and effective optical path 30 m, filled with carbon dioxide at a pressure of 1000 Pa, for measuring carbon dioxide, as well as 16 - a unit for recording a signal passed through an optical cell, consisting of an InGaAs photodiode with a sensitive area of 4 mm 2 and a transimpedance amplifier with a feedback resistance of 1 kΩ ; 17 - control electronics unit based on NI-USB-6215.
С помощью разработанного прибора были получены спектры пропускания атмосферы в ближнем инфракрасном диапазоне с линией поглощения метана (Фиг. 2) и углекислого газа (Фиг. 3).With the help of the developed device, the transmittance spectra of the atmosphere in the near infrared range with the absorption line of methane (Fig. 2) and carbon dioxide (Fig. 3) were obtained.
Предлагаемый спектрорадиометр может применяться в составе различных полевых, бортовых и промышленных систем, предназначенных для мониторинга состояния окружающей среды и исследования климата; Изобретение предоставляет информацию о содержании исследуемого газа в атмосфере с высокой точностью и высоким спектральным разрешением. Измеряемые данные обладают высокой информативностью, так как высокое спектральное разрешение позволяет дополнительно извлекать информацию о структуре и динамике атмосферы, а именно о вертикальном распределении концентрации исследуемого газа и о вертикальном профиле проекции скорости воздушных потоков в тропосфере и нижней стратосфере.The proposed spectroradiometer can be used as part of various field, airborne and industrial systems designed for monitoring the state of the environment and studying the climate; The invention provides information on the content of the gas under study in the atmosphere with high accuracy and high spectral resolution. The measured data are highly informative, since high spectral resolution makes it possible to additionally extract information on the structure and dynamics of the atmosphere, namely, on the vertical distribution of the concentration of the gas under study and on the vertical projection profile of the air flow velocity in the troposphere and lower stratosphere.
Концепция многоканальности наиболее существенна при использовании гетеродинной методики для зондирования атмосферы с орбитальных аппаратов в режиме солнечных затмений, где один наблюдательный сеанс может длиться не более 60 секунд и время для накопления сигнала ограничено.The concept of multichannel is most important when using the heterodyne technique for sounding the atmosphere from orbiters in the solar eclipse mode, where one observation session can last no more than 60 seconds and the time for signal accumulation is limited.
ИсточникиSources of
1. Патент США № US 8699029 (В2).1. US patent No. US 8699029 (B2).
2. Патент Китая № CN 106382987 (А).2. China Patent No. CN 106382987 (A).
3. A.E. Siegman, "The antenna properties of optical heterodyne receivers," Appl. Opt. 54(10), 1588-1594 (1966).3. A.E. Siegman, "The antenna properties of optical heterodyne receivers," Appl. Opt. 54 (10), 1588-1594 (1966).
4. Патент РФ № RU 121927 (U1).4. RF patent No. RU 121927 (U1).
5. A. Rodin, A. Klimchuk, A. Nadezhdinskiy, D. Churbanov, and M. Spiridonov, "High resolution heterodyne spectroscopy of the atmospheric methane NIR absorption," Opt. Express 22(11), 13825-13834 (2014).5. A. Rodin, A. Klimchuk, A. Nadezhdinskiy, D. Churbanov, and M. Spiridonov, "High resolution heterodyne spectroscopy of the atmospheric methane NIR absorption," Opt. Express 22 (11), 13825-13834 (2014).
6. E.J. Moyer, D.S. Sayres, G.S. Engel, J.M.St. Clair, F.N. Keutsch, N.T. Allen, J.H. Kroll, and J.G. Anderson, "Design considerations in high-sensitivity off-axis integrated cavity output spectroscopy," Appl. Phys. В 92, 467-474 (2008).6. E.J. Moyer, D.S. Sayres, G.S. Engel, J.M.St. Clair, F.N. Keutsch, N.T. Allen, J.H. Kroll, and J.G. Anderson, "Design considerations in high-sensitivity off-axis integrated cavity output spectroscopy," Appl. Phys. B 92, 467-474 (2008).
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021101111A RU2753612C1 (en) | 2020-05-25 | 2020-05-25 | Multichannel fiber-optic near-infrared heterodyne spectroradiometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021101111A RU2753612C1 (en) | 2020-05-25 | 2020-05-25 | Multichannel fiber-optic near-infrared heterodyne spectroradiometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2753612C1 true RU2753612C1 (en) | 2021-08-18 |
Family
ID=77349342
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021101111A RU2753612C1 (en) | 2020-05-25 | 2020-05-25 | Multichannel fiber-optic near-infrared heterodyne spectroradiometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2753612C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4817101A (en) * | 1986-09-26 | 1989-03-28 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Heterodyne laser spectroscopy system |
RU121927U1 (en) * | 2012-07-18 | 2012-11-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)" | HETERODYNE FIBER OPTICAL SPECTRO-RADIOMETER OF THE NEAR INFRARED RANGE |
US8699029B2 (en) * | 2012-07-10 | 2014-04-15 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics Space Administration | Miniaturized laser heterodyne radiometer for carbon dioxide, methane and carbon monoxide measurements in the atmospheric column |
CN106382987A (en) * | 2016-09-30 | 2017-02-08 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | All-fiber laser heterodyne solar radiometer |
-
2020
- 2020-05-25 RU RU2021101111A patent/RU2753612C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4817101A (en) * | 1986-09-26 | 1989-03-28 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Heterodyne laser spectroscopy system |
US8699029B2 (en) * | 2012-07-10 | 2014-04-15 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics Space Administration | Miniaturized laser heterodyne radiometer for carbon dioxide, methane and carbon monoxide measurements in the atmospheric column |
RU121927U1 (en) * | 2012-07-18 | 2012-11-10 | Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Московский Физико-Технический Институт (Государственный Университет)" | HETERODYNE FIBER OPTICAL SPECTRO-RADIOMETER OF THE NEAR INFRARED RANGE |
CN106382987A (en) * | 2016-09-30 | 2017-02-08 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | All-fiber laser heterodyne solar radiometer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8699029B2 (en) | Miniaturized laser heterodyne radiometer for carbon dioxide, methane and carbon monoxide measurements in the atmospheric column | |
US8198589B2 (en) | Remote sensing of gas leaks | |
US7009170B2 (en) | Active remote sensing using a simultaneous spectral sampling technique | |
CN109632704B (en) | Atmospheric multi-component laser occultation detection device based on super-continuous light source | |
CN106382987A (en) | All-fiber laser heterodyne solar radiometer | |
WO2019112459A1 (en) | Method for remote measurement of a concentration of gases in the atmosphere | |
Sonnenfroh et al. | In-situ sensing of tropospheric water vapor using an airborne near-IR diode laser hygrometer | |
US20060109470A1 (en) | Measuring environmental parameters | |
Viciani et al. | A cryogenically operated laser diode spectrometer for airborne measurement of stratospheric trace gases | |
RU2753612C1 (en) | Multichannel fiber-optic near-infrared heterodyne spectroradiometer | |
US8830474B2 (en) | External/internal optical adapter with reverse biased photodiodes for FTIR spectrophotometry | |
US20060278897A1 (en) | Multispectral Energy/Power Meter For Laser Sources | |
US8368892B2 (en) | Infrared spectroscopy | |
RU2736178C1 (en) | Method and device for autonomous remote determination of concentration of atmospheric gas components | |
US20220042850A1 (en) | FTIR Spectrometer with Optical Filter for Low Level Gas Detection such as Formaldehyde and Ethylene Oxide | |
RU201025U1 (en) | TWO-CHANNEL LIDAR NEXT IR RANGE | |
RU121927U1 (en) | HETERODYNE FIBER OPTICAL SPECTRO-RADIOMETER OF THE NEAR INFRARED RANGE | |
EP1564544B1 (en) | Remote sensing of gas leaks using gas filter correlation radiometry | |
US20240142335A1 (en) | Gas leak detector and detection methods | |
Frish | Overview of sensitive detection and multiplexing techniques for tunable diode laser absorption spectroscopy | |
Toci et al. | Design and performance of a diode laser spectrometer for a stratospheric aircraft | |
RU2044303C1 (en) | Gas analyzer | |
JP2001013070A (en) | Fruit component non-destructive measuring device | |
Pappalardo et al. | Multiparametric tunable Lidar system based on IR OPO laser sources | |
US7265824B2 (en) | Method and device for obtaining a low-noise optical signal |