RU2753612C1 - Multichannel fiber-optic near-infrared heterodyne spectroradiometer - Google Patents

Multichannel fiber-optic near-infrared heterodyne spectroradiometer Download PDF

Info

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
Application number
RU2021101111A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Геннадьевич Зеневич
Искандер Шамилевич Газизов
Александр Вячеславович Родин
Максим Владимирович Спиридонов
Дмитрий Владимирович Чурбанов
Original Assignee
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" filed Critical федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)"
Priority to RU2021101111A priority Critical patent/RU2753612C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2753612C1 publication Critical patent/RU2753612C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0205Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218Optical 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

FIELD: high-resolution infrared spectroradiometry.
SUBSTANCE: invention relates to the field of high-resolution infrared spectroradiometry and concerns a multichannel fiber-optic heterodyne near-infrared spectroradiometer. The spectroradiometer 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 a single-mode fiber output, quartz single-mode fiber splitters, a reference channel consisting of an optical cell and an electronic unit for recording an optical signal. The radiometer also contains a system of analytical channels consisting of a photodiode and a preamplifier with a narrow bandwidth, a signal processing unit at an intermediate frequency, including a system of analog-to-digital converters and an FPGA-based computing unit, and a control electronics unit including a tunable local oscillator current source.
EFFECT: invention shortens the signal accumulation time, increases the signal-to-noise ratio, increases the sensitivity and accuracy of the measurements.
4 cl, 3 dwg

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-mode silica fiber 2; fiber splitter welded type 3; fiber splitter planar type 4; diplexers 5, which are welded-type fiber splitters; a system of optical receiving devices 6, the role of which is played by short-focus aspherical lenses; breaker front of the received radiation 7; a system of analytical channels 8, which include a photodetector 9, a transimpedance preamplifier and a cascade of bandpass filters 10 with a narrow passband; an analyzer of a signal at an intermediate frequency 11, which includes a signal digitizing system 12 and a computing unit 13 based on an FPGA; reference channel 14, consisting of an optical cell 15 filled with a test gas, and a signal registration unit 16; electronic control unit 17.

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 local oscillator 1 is modulated by sawtooth pulses of the pump current using the control electronics 17, which provides the radiation frequency tuning to cover the spectral region near the measured absorption line. The radiation of the local oscillator 1 propagates along a single-mode quartz fiber 2 and is divided by a welded type fiber splitter 3 into two parts, one of which goes to the reference channel 14, and the other part falls on a planar type 4 fiber splitter. The planar type 4 fiber splitter equally divides the incoming radiation into two parts and sends it to the inputs of the diplexers 5. The radiation from the system of optical receiving devices 6 is mixed with the radiation of the heterodyne 1 in the system of diplexers 5 and sent to the system of analytical measuring channels 8, where one of the channels receives the mixed radiation, pre-modulated by the chopper 7. In each analytical channel, the mixed radiation is recorded by a photodetector 9, the signal from which is amplified and filtered by a transimpedance amplifier and a cascade of bandpass filters 10. The signals of the analytical channels are fed to the inputs of the signal analyzer at an intermediate frequency 11, where they are converted by analog-digital converter 12, and then fed to the inputs of the electronic computing unit based on the FPGA 13, where the variance of the noise component of the recorded signal is calculated, which is proportional to the spectral density of the analyzed radiation in the scanned frequency range of the local oscillator 1. The results of calculations of the electronic computing unit based on the FPGA 13 are transmitted to personal computer for averaging, saving and further processing. The frequency stabilization of the local oscillator 1 is provided by the reference channel 14 with high accuracy, where the radiation of the local oscillator 1 through the fiber splitter 3 enters the optical cell 15. Using the signal registration unit 16, an absorption line is observed in the optical cell 15. Based on the analysis of the line position, the frequency of the local oscillator is stabilized with accuracy in the range of 2-5 MHz, depending on the type of optical cuvette 15 used in the device. The registration of the intermediate frequency signal is carried out in a narrow preamplifier band (in a fixed range from 1 to 25 MHz) when scanning the local oscillator frequency 1 in a fixed range of 10-60 GHz.

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 radiation 7, which provides the required speed and the degree of suppression of the recorded signal into the fiber optical system in the overlapped state. As a photodetector 9 can be used any device operating in a given range of the spectrum, having a sensitivity sufficient for recording shot noise of the photocurrent in the intermediate frequency band, and an internal capacitance that provides a given band. Any single-mode tunable laser with a fiber output can be used as a local oscillator, the tuning range and accuracy of which are sufficient to provide a sweep of the spectrum of the analyzed radiation. As the cuvette 15 of the reference channel 14, an optical cuvette of any type can be used, which provides the necessary optical path for observing the spectral line of interest. The shot noise of the photocurrent should be the dominant source of system noise, i.e. should prevail over the intrinsic noise of the analytical channels 8 and over the amplitude noise of the local oscillator 1 in order to ensure the maximum sensitivity of the measuring equipment.

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)

1. Многоканальный волоконно-оптический гетеродинный спектрорадиометр ближнего инфракрасного диапазона, характеризующийся 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-цифровых преобразователей и вычислительный блок на основе ПЛИС, и блок управляющей электроники, включающий прецизионный перестраиваемый источник тока гетеродина.1. Multichannel fiber-optic heterodyne spectroradiometer of the near infrared range, 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 a single-mode fiber output, quartz single-mode fiber splitters of fused and planar types, used both for separating 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 preamplifier with a narrow bandwidth, a signal processing unit for intermediate frequency, including a system of analog-to-digital converters and a computing unit based on FPGA, and a control electronics unit, including a precision tunable local oscillator current source. 2. Спектрорадиометр по п. 1, отличающийся тем, что кюветой реперного канала является многопроходная оптическая кювета, работающая по принципу регистрации интегрального внутрирезонаторного выходного излучения.2. The spectroradiometer according to claim 1, characterized in that the cuvette of the reference channel is a multi-pass optical cuvette operating on the principle of registration of integral intracavity output radiation. 3. Спектрорадиометр по п. 1, отличающийся тем, что прерывателем принимаемого оптического сигнала является волоконный переключатель на основе микроэлектромеханических систем.3. The spectroradiometer according to claim 1, characterized in that the chopper of the received optical signal is a fiber switch based on microelectromechanical systems. 4. Спектрорадиометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическим приемным устройством является одномодовый волоконный коллиматор с градиентной линзой.4. The spectroradiometer according to claim 1, characterized in that the optical receiving device is a single-mode fiber collimator with a gradient lens. 5. Спектрорадиометр по п. 1, отличающийся тем, что количество оптических приемных устройств и аналитических каналов составляет от 2 до 8 единиц.5. The spectroradiometer according to claim 1, characterized in that the number of optical receiving devices and analytical channels is from 2 to 8 units.
RU2021101111A 2020-05-25 2020-05-25 Multichannel fiber-optic near-infrared heterodyne spectroradiometer RU2753612C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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