RU2567119C1 - Method for remote wireless detection and identification of chemical substances and organic objects and device therefor - Google Patents
Method for remote wireless detection and identification of chemical substances and organic objects and device therefor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2567119C1 RU2567119C1 RU2014130158/28A RU2014130158A RU2567119C1 RU 2567119 C1 RU2567119 C1 RU 2567119C1 RU 2014130158/28 A RU2014130158/28 A RU 2014130158/28A RU 2014130158 A RU2014130158 A RU 2014130158A RU 2567119 C1 RU2567119 C1 RU 2567119C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- spectra
- sources
- raman
- optical
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области оптико-физических методов определения состава химических веществ и объектов органического происхождения.The invention relates to the field of optical-physical methods for determining the composition of chemicals and objects of organic origin.
Уровень техникиState of the art
Наиболее информативными и эффективными методами дистанционного беспробоотборного определения состава различных веществ являются методы спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) и фотолюминесценции (ФЛ). Методы КР основаны на неупругом (комбинационном) рассеянии света молекулами, освещаемыми источником возбуждающего излучения, и позволяют по спектрам КР определять состав веществ с высокой селективностью. Для формирования спектров ФЛ используют различные типы источников возбуждающего излучения, начиная от галогенных ламп и заканчивая многочисленными полупроводниковыми светодиодами и лазерами. При переходе молекул анализируемого вещества из возбужденного состояния в основное состояние формируется вторичное излучение, представляющее собой спектр ФЛ.The most informative and effective methods of remote non-sampling determination of the composition of various substances are Raman spectroscopy and photoluminescence (PL). Raman methods are based on inelastic (Raman) scattering of light by molecules illuminated by a source of exciting radiation, and allow one to determine the composition of substances with high selectivity from the Raman spectra. To form the PL spectra, various types of exciting radiation sources are used, ranging from halogen lamps to numerous semiconductor LEDs and lasers. When molecules of the analyte undergo transition from the excited state to the ground state, secondary radiation is formed, which is the PL spectrum.
Известно достаточно большое число технических решений, основанных как на методах спектроскопии КР, так и ФЛ. Методы ФЛ обладают более высокой чувствительностью по сравнению с методами спектроскопии КР, но менее селективны. При использовании только методов КР не достигается достаточной чувствительности, обеспечивающей возможность дистанционного анализа. При использовании только методов ФЛ не достигается необходимой селективности.A fairly large number of technical solutions are known, based both on Raman spectroscopy and PL methods. The PL methods have a higher sensitivity compared to Raman spectroscopy, but are less selective. When using only Raman methods, sufficient sensitivity is not achieved, providing the possibility of remote analysis. When using only PL methods, the required selectivity is not achieved.
Известны способы дистанционного обнаружения отравляющих веществ (OB), в частности способ (Патент РФ №2155954, МПК G01N 21/64, опубл. 12.03.1997 г.), основанный на дистанционном зондировании атмосферы лазерным излучением длиной волны 266 нм и регистрации как фоновых характеристик атмосферы, так и интенсивностей сигналов люминесценции аэрозолей OB в диапазоне от 300 до 440 нм, который позволяет определять наличие или отсутствие аэрозолей OB на трассе зондирования.Known methods for the remote detection of toxic substances (OB), in particular the method (RF Patent No. 2155954, IPC
Однако данный метод не обеспечивает возможности селективного обнаружения и идентификации различных типов OB.However, this method does not provide the ability to selectively detect and identify various types of OBs.
Известен способ дистанционного обнаружения и идентификации объектов органического происхождения (Патент РФ 2233438, МПК G01N 21/64, опубл. 27.07.2004). Предложенный способ включает в себя дистанционное импульсное зондирование исследуемого объекта лазерным излучением, регистрацию и запись спектров вторичного излучения, сравнение характеристик спектров излучения исследуемого образца со спектром эталонного образца, включенного в базу данных устройства непосредственно перед началом проведения лазерного зондирования исследуемого объекта. Для дистанционного зондирования формируют два независимых канала наблюдения и регистрации, при этом в первом канале используют импульсное лазерное излучение в диапазоне 0,8…1,6 мкм, а во втором - в диапазоне 0,26…0,38 мкм. Требуемую расходимость лазерного излучения, а также пространственное сканирование исследуемого объекта формируют и осуществляют также независимо для каждого канала. Высокую достоверность правильного распознавания достигают за счет использования для сравнения предварительно снятого частотно-временного паспорта эталонного образца, включающего в себя предложенные авторами параметры спектров КР и ЛИФ (лазерно-индуцированная флуоресценция).A known method of remote detection and identification of objects of organic origin (RF Patent 2233438, IPC G01N 21/64, publ. July 27, 2004). The proposed method includes remote pulsed sounding of the test object with laser radiation, registration and recording of secondary radiation spectra, comparing the characteristics of the radiation spectra of the test sample with the spectrum of the reference sample included in the device database immediately before the laser sounding of the test object. Two independent observation and recording channels are formed for remote sensing, while the first channel uses pulsed laser radiation in the range of 0.8 ... 1.6 μm, and in the second - in the range of 0.26 ... 0.38 μm. The required divergence of the laser radiation, as well as the spatial scanning of the object under investigation, is formed and carried out independently for each channel. High reliability of correct recognition is achieved through the use of a pre-recorded frequency-time passport of a reference sample that includes the Raman and LIF spectra (laser-induced fluorescence) proposed by the authors.
Недостатком предложенного способа является необходимость использования достаточно габаритных и энергоемких источников возбуждающего излучения, что не позволяет использовать данное техническое решение для создания малогабаритных переносных устройств.The disadvantage of the proposed method is the need to use a sufficiently large and energy-intensive sources of exciting radiation, which does not allow the use of this technical solution to create small portable devices.
Известны также способы и устройства обнаружения и идентификации различных веществ, основанные на одновременном использовании КР и ФЛ.Methods and devices for detecting and identifying various substances based on the simultaneous use of Raman and PL are also known.
В заявке US 20080084555 (МПК G01J 3/36, опубл. 10.04.2008) описаны способы и устройства, предназначенные для одновременного формирования и регистрации спектров КР и ФЛ. Устройства содержат сменные лазерные источники: многоволновой лазер или лазер с фиксированной длиной волны; сменные фильтры, вырезающие длину волны возбуждающего излучения (458 нм, 488 нм, 515 нм); монохроматор или спектрограф с детекторным блоком, содержащим два детектора, один из которых предназначен для регистрации спектров КР в спектральном диапазоне 480…580 нм, а второй - спектров ФЛ в диапазоне 950…1200 нм.In the application US 20080084555 (IPC
Недостатком предложенного способа является то, что интенсивность регистрируемого вторичного излучения делится между двумя детекторами, что снижает пороговые значения чувствительности каждого канала в отдельности. Отсутствие оптоволоконных жгутов препятствует применению предложенного устройства в натурных условиях.The disadvantage of the proposed method is that the intensity of the recorded secondary radiation is divided between two detectors, which reduces the threshold sensitivity values of each channel separately. The lack of fiber optic bundles prevents the use of the proposed device in natural conditions.
Известны способ и устройство, описанные в заявке US 20060232781 (МПК G01B 9/02, G01J 3/45, опубл. 19.10.2006), основанные на использовании светосильного статического Фурье-спектрометра для регистрации спектров пропускания с целью определения жидкостей и газов, помещаемых в специализированной камере с оптоволоконным входом и выходом. Устройство содержит оптический источник, сопряженный с оптическим волокном; камеру для исследуемых образцов; оптоволоконный жгут с микрооптической насадкой; объектив, согласующий оптический выход оптоволоконного зонда с входом статического Фурье-спектрометра, представляющего собой интерферометр Майкельсона со светоделительным кубиком с двумя зеркальными гранями, одна из которых при этом представляет собой ступенчатое зеркало, обеспечивающее необходимую модуляцию разности хода; детектор, фоточувствительные элементы которого оптически согласованы с положением ступенек одного из зеркал светоделительного кубика; контроллер и сигнальный процессор для преобразования аналоговых сигналов детектора и блок электроники с графическим интерфейсом для отображения результатов анализа.A known method and device described in the application US 20060232781 (IPC G01B 9/02, G01J 3/45, publ. 10/19/2006), based on the use of a fast static Fourier spectrometer for recording transmission spectra in order to determine liquids and gases placed in specialized camera with fiber optic input and output. The device comprises an optical source coupled to an optical fiber; chamber for test samples; fiber optic bundle with a micro-optical nozzle; a lens matching the optical output of the optical fiber probe with the input of a static Fourier spectrometer, which is a Michelson interferometer with a beam splitting cube with two mirror faces, one of which is a step mirror, providing the necessary modulation of the travel difference; a detector whose photosensitive elements are optically aligned with the position of the steps of one of the mirrors of the beam splitting cube; a controller and a signal processor for converting the analog signals of the detector and an electronics unit with a graphical interface to display the results of the analysis.
Устройство предназначено для регистрации спектров пропускания проб исследуемых жидких и газообразных сред и не может быть использовано для беспробоотборного и тем более дистанционного анализа. Кроме того, одно из зеркал светоделительного кубика представляет собой синтезированную ступенчатую структуру, покрытую отражающим покрытием, что требует жесткой привязки фоточувствительных элементов детектора с положением светоделительного кубика, что ограничивает апертуру светоделительного кубика (0,45×0,45 мм на выходе светоделительного кубика) и, соответственно, светосилу приемного тракта регистрирующего устройства.The device is intended for recording transmission spectra of samples of studied liquid and gaseous media and cannot be used for sampling-free and, even more so, remote analysis. In addition, one of the mirrors of the beam splitter cube is a synthesized step structure coated with a reflective coating, which requires rigid attachment of the photosensitive elements of the detector with the position of the beam splitter, which limits the aperture of the beam splitter (0.45 × 0.45 mm at the output of the beam splitter) and , respectively, the aperture of the receiving path of the recording device.
Наиболее близким по технической сущности к патентуемому изобретению является способ определения вещества методами комбинационного рассеяния и фотолюминесценции и устройство, его реализующее (Заявка US 20110292376, МПК G01J 1/58, G01J 3/02, опубл. 01.12.2011). Способ включает получение спектров КР и ФЛ, разделение указанных спектров на компоненты КР и ФЛ, анализ КР и ФЛ компонентов и идентификацию вещества с использованием набора спектральных методов обработки. Устройство, реализующее способ, содержит сменный источник лазерного излучения, коллимационную систему, разъем для смены лазеров, систему подсветки для одновременного получения спектров КР и ФЛ вещества, детектор, блок обработки сигналов.The closest in technical essence to the patented invention is a method for determining a substance by Raman scattering and photoluminescence and a device that implements it (Application US 20110292376, IPC G01J 1/58, G01J 3/02, publ. 01.12.2011). The method includes obtaining Raman and PL spectra, dividing said spectra into Raman and PL components, analyzing Raman and PL components, and identifying a substance using a set of spectral processing methods. A device that implements the method includes a replaceable laser source, a collimation system, a connector for changing lasers, a backlight system for simultaneously obtaining Raman and PL spectra of a substance, a detector, a signal processing unit.
К недостаткам предложенного способа можно отнести низкую чувствительность, а к недостаткам устройства - громоздкость конструкции.The disadvantages of the proposed method include low sensitivity, and the disadvantages of the device are the bulkiness of the structure.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Техническим результатом изобретения является существенное повышение чувствительности обнаружения и идентификации химических веществ при одновременном снижении габаритов оптоволоконного зонда.The technical result of the invention is a significant increase in the sensitivity of detection and identification of chemicals while reducing the dimensions of the fiber probe.
Технический результат достигается тем, что предложенный способ дистанционного беспробоотборного обнаружения и идентификации химических веществ и объектов органического происхождения включает получение спектров комбинационногого рассеяния (КР) и фотолюминесценции (ФЛ) вещества, разделение указанных спектров на компоненты КР и ФЛ, анализ компонентов КР и ФЛ и идентификацию вещества с использованием спектральных методов обработки. При этом для регистрации спектров вторичного излучения ФЛ и КР формируют один общий приемный канал. Для возбуждения ФЛ формируют зондирующее излучение ультрафиолетовых светодиодных источников двух различных длин волн, для возбуждения КР - излучение лазерною источника. В качестве регистрирующего устройства используют светосильный статический Фурье-спектрометр, формирующий на выходе двумерный спектр, который получают быстрым преобразованием Фурье из интерферограммы, которую регистрируют и запоминают в цифровом виде с помощью матричного фотоприемного устройства. Для исключения влияния фоновых засветок осуществляют регистрацию спектров вторичного излучения при последовательном возбуждении источниками излучений с различными длинами волн, при этом также периодически проводят регистрацию фоновых спектров при выключенных источниках возбуждающих излучений и из спектров вторичного излучения вычитают фоновые спектры. При регистрации интерферограмм вторичного излучения осуществляют автоматическую установку экспозиции, определяемую фактическим временем обнаружения и идентификации веществ, в диапазоне от минимального значения, определяемого быстродействием матричного фотоприемного устройства и блока обработки сигналов, до максимального программно устанавливаемого значения; для увеличения отношения сигнал/шум осуществляют накопление запоминаемых в статическом Фурье-спектрометре интерферограмм с получением результирующей интерферограммы. Выполняют исправление этой результирующей интерферограммы с использованием оптической маски, представляющей собой двумерную функцию, учитывающую геометрические искажения оптических элементов регистрирующего устройства, которую предварительно регистрируют с использованием когерентного излучения лазерного источника с известной длиной волны и запоминают в памяти устройства для последующего использования. Результирующую интерферограмму преобразуют в результирующий спектр с помощью быстрого преобразования Фурье. Окончательное решение об обнаружении и идентификации веществ принимают по результатам сравнения результирующего спектра со спектрами, составляющими рабочую базу спектральных данных, предварительно зарегистрированными, запомненными в памяти устройства и включающими в себя спектры обнаруживаемых веществ, зарегистрированные с использованием всех указанных источников возбуждающего излучения.The technical result is achieved by the fact that the proposed method for remote non-sampling detection and identification of chemicals and objects of organic origin includes obtaining Raman spectra and photoluminescence (PL) of a substance, dividing these spectra into components of the Raman and PL, analysis of the components of the Raman and PL and identification substances using spectral processing methods. Moreover, to register the spectra of secondary radiation, the PL and Raman form one common receiving channel. For the excitation of photoluminescence, probing radiation of ultraviolet LED sources of two different wavelengths is formed; for excitation of Raman radiation, radiation from a laser source is generated. As a recording device, a fast static Fourier spectrometer is used, which forms a two-dimensional spectrum at the output, which is obtained by the fast Fourier transform from the interferogram, which is recorded and stored in digital form using an array photodetector. To exclude the influence of background illumination, the secondary radiation spectra are recorded during sequential excitation by radiation sources with different wavelengths, while the background spectra are also periodically recorded with the excitation radiation sources turned off, and background spectra are subtracted from the secondary radiation spectra. When registering interferograms of secondary radiation, the exposure is automatically set, determined by the actual time of detection and identification of substances, in the range from the minimum value determined by the speed of the matrix photodetector and signal processing unit to the maximum programmable value; to increase the signal-to-noise ratio, the interferograms stored in the static Fourier spectrometer are accumulated to produce the resulting interferogram. This resulting interferogram is corrected using an optical mask, which is a two-dimensional function that takes into account geometric distortions of the optical elements of the recording device, which is pre-recorded using coherent radiation from a laser source with a known wavelength and stored in the device's memory for subsequent use. The resulting interferogram is converted to the resulting spectrum using a fast Fourier transform. The final decision on the detection and identification of substances is made by comparing the resulting spectrum with spectra that make up the working base of the spectral data, are pre-recorded, stored in the device's memory and include the spectra of the detected substances recorded using all of these sources of exciting radiation.
Устройство, реализующее указанный способ, содержит сменный источник лазерного излучения, разъем для смены лазерных источников, коллимационную систему, систему подсветки для одновременного получения спектров КР и ФЛ веществ, детектор, блок обработки сигналов. При этом оно включает в себя одновременно светодиодные и лазерный источники возбуждающего излучения, оптически сопряженные с помощью стандартных SMA оптических разъемов с оптоволоконным жгутом, содержащим передающие излучения каналы и один приемный канал, объединенные и оптически сопряженные с объективом коллимационной системы. Приемный канал оптоволоконного жгута через SMA оптический разъем и заграждающий фильтр для вырезания длины волны лазерного источника возбуждающего излучения сопряжен с оптическим трактом статического Фурье-спектрометра. Указанный оптический тракт состоит из светоделительного кубика, представляющего собой гипотенузную склейку двух призм со скошенными отражающими зеркальными гранями, изготовленных из оптического материала, имеющего максимальный коэффициент пропускания в заданном спектральном диапазоне, и предназначенных для формирования двумерных интерференционных картин, и из объектива, проецирующего интерференционную картину на матричное фотоприемное устройство, формирующее измерительный сигнал, пропорциональный интенсивности интерференционной картины, для его передачи в компьютерный блок обработки сигналов, управления режимами работы источников возбуждающего излучения и индикации.A device that implements this method contains a removable laser source, a connector for changing laser sources, a collimation system, a backlight system for simultaneously obtaining Raman and PL spectra of substances, a detector, a signal processing unit. In this case, it includes both LED and laser sources of exciting radiation, optically coupled using standard SMA optical connectors with a fiber optic bundle containing radiation transmitting channels and one receiving channel, combined and optically coupled to the lens of the collimation system. The receiving channel of a fiber optic bundle through an SMA optical connector and a blocking filter for cutting the wavelength of a laser source of exciting radiation is coupled to the optical path of a static Fourier spectrometer. The specified optical path consists of a beam splitting cube, which is a hypotenuse gluing of two prisms with beveled reflecting mirror faces made of optical material having a maximum transmittance in a given spectral range, and intended for the formation of two-dimensional interference patterns, and from a lens projecting an interference pattern onto matrix photodetector forming a measuring signal proportional to the intensity of interference a new picture, for its transmission to a computer unit for signal processing, control of the operating modes of the sources of exciting radiation and indications.
Компьютерный блок обработки сигналов, управления режимами работы источников возбуждающего излучения и индикации, статический Фурье-спектрометр с матричным фотоприемным блоком и съемный заграждающий фильтр могут быть размещены в едином корпусе и электрически сопряжены с системой вторичного электропитания.A computer unit for signal processing, control of the operating modes of the sources of exciting radiation and indications, a static Fourier spectrometer with a matrix photodetector unit, and a removable trap filter can be placed in a single housing and are electrically coupled to the secondary power supply system.
Устройство также может быть выполнено с возможностью подключения дополнительных внешних источников возбуждающего излучения с использованием предусмотренных дополнительных передающих каналов в оптоволоконном жгуте и соответствующих цепей питания в системе вторичного электропитания устройства.The device can also be configured to connect additional external sources of exciting radiation using the provided additional transmission channels in the fiber optic bundle and the corresponding power circuits in the secondary power supply system of the device.
Перечень фигурList of figures
Фиг. 1 - алгоритм способа беспробоотборного дистанционного обнаружения и идентификации химических веществ и объектов органического происхождения;FIG. 1 - an algorithm for a non-sampling remote detection and identification of chemicals and objects of organic origin;
Фиг. 2 - блок-схема устройства, реализующего заявленный способ;FIG. 2 is a block diagram of a device that implements the claimed method;
Фиг. 3 - схема специализированного оптоволоконного зонда;FIG. 3 is a diagram of a specialized fiber optic probe;
Фиг. 4 - блок-схема статического Фурье-спектрометра (СФС);FIG. 4 is a block diagram of a static Fourier spectrometer (SFS);
Фиг. 5 - схема светоделительного кубика СФС;FIG. 5 is a diagram of a beam splitting cube SPS;
Фиг. 6 - пример регистрируемых интерферограмм для λ1 и λ2;FIG. 6 is an example of recorded interferograms for λ 1 and λ 2 ;
Фиг. 7 - пример исправленных интерферограмм для λ1 и λ2;FIG. 7 is an example of corrected interferograms for λ 1 and λ 2 ;
Фиг. 8 - пример принятия решения при обнаружении и идентификации (таблица 1).FIG. 8 is an example of decision making during detection and identification (table 1).
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Алгоритм способа дистанционного беспробоотборного обнаружения и идентификации химических веществ и объектов органического происхождения представлен на фиг. 1.The algorithm of the method for remote non-sampling detection and identification of chemicals and objects of organic origin is presented in FIG. one.
Для исключения влияния фоновых засветок периодически осуществляют регистрацию спектров вторичного излучения при выключенных источниках возбуждающего излучения 1. Сначала формируется двумерная интерференционная картина 1.1, которая преобразуется в спектр 1.2.To exclude the influence of background light, the secondary radiation spectra are periodically recorded with the excitation radiation sources turned off 1. First, a two-dimensional interference pattern 1.1 is formed, which is converted to spectrum 1.2.
В соответствии с заявленным способом, для возбуждения ФЛ используют излучение полупроводниковых светодиодов УФ диапазона двух различных длин волн, а для возбуждения КР - излучение УФ лазерного источника, при этом зондирование исследуемой поверхности осуществляют при последовательном включении светодиодов одной длины волны 2, затем другой длины волны 3, затем лазера 4. Сначала формируется двумерная интерференционная картина (2.1, 3.1, 4.1), затем осуществляется исправление зарегистрированной интерферограммы с использованием оптической маски (2.2, 3.2, 4.2), исправленная интерферограмма преобразуется в спектр (2.3, 3.3, 4.3) и источник излучения выключается (2.4, 3.4, 4.4).In accordance with the claimed method, for the excitation of PL, the radiation of semiconductor LEDs of the UV range of two different wavelengths is used, and for the excitation of Raman radiation, the radiation of a UV laser source is used, while the probing of the test surface is carried out when the LEDs of one wavelength 2, then another
Для повышения отношения сигнал/шум дополнительно применен метод накопления интерферограмм, при этом время экспозиции (накопления) устанавливается автоматически по фактическому времени распознавания и идентификации от минимального уровня, определяемого быстродействием фотоприемного устройства (ФПУ) и блока обработки и управления микропроцессорного (БОУМ) 7 до максимального уровня, устанавливаемого программно. Процесс накопления (экспозиция) прекращается автоматически при осуществлении распознавания и идентификации 8 либо нераспознавания и неидентификации 9.To increase the signal-to-noise ratio, the method of accumulating interferograms is additionally applied, while the exposure (accumulation) time is set automatically by the actual recognition and identification time from the minimum level determined by the speed of the photodetector (FPU) and microprocessor processing and control unit (BOUM) 7 to the maximum software level. The accumulation process (exposure) is terminated automatically when recognition and identification are carried out 8 or non-recognition and non-identification 9.
Для исключения влияния геометрических искажений осуществляют исправление зарегистрированной интерферограммы с использованием оптической маски (двумерной аппаратной функции, учитывающей все геометрические дефекты оптических трактов и элементов регистрирующей аппаратуры) (пример на фиг. 6 и 7). Оптическую маску предварительно регистрируют с использованием излучения когерентного источника с известной длиной волны и записывают в память БОУМ.To eliminate the influence of geometric distortions, the registered interferogram is corrected using an optical mask (a two-dimensional hardware function that takes into account all geometric defects of the optical paths and elements of the recording equipment) (example in Figs. 6 and 7). The optical mask is pre-recorded using radiation of a coherent source with a known wavelength and recorded in the memory of the BOUM.
Исправленные интерферограммы обрабатывают методом быстрого преобразования Фурье в сумматоре 5 и получают результирующие спектры, которые корреляционно сравнивают со спектрами, составляющими рабочую базу спектральных данных 6, предварительно зарегистрированных с использованием различных источников возбуждающего излучения, и записанных в память БОУМ.The corrected interferograms are processed by the fast Fourier transform in adder 5 and get the resulting spectra, which are correlatively compared with the spectra that make up the working base of spectral data 6, previously recorded using various sources of exciting radiation, and recorded in the memory of the BOUM.
Пример осуществления изобретенияAn example embodiment of the invention
Для распознавания веществ используют способ одновременного освещения исследуемого объекта двумя источниками возбуждающего излучения с длинами волн λ1 и λ2 и реализации совместной процедуры распознавания по двум спектральным диапазонам (λ1 и λ2) для семи веществ (см. таблица фиг. 8). Решение об обнаружении и идентификации принимают методом совместной обработки результатов распознавания для каждого из использованных для возбуждения светодиодов и лазерных источников.To recognize substances, use the method of simultaneous illumination of the studied object with two sources of exciting radiation with wavelengths λ 1 and λ 2 and the implementation of a joint recognition procedure for two spectral ranges (λ 1 and λ 2 ) for seven substances (see table of Fig. 8). The decision on detection and identification is made by the method of joint processing of recognition results for each of the LEDs and laser sources used to excite.
Устройство для дистанционного беспробоотборного обнаружения и идентификации химических веществ содержит (фиг. 2) блок сменных объективов 10, при этом каждый из сменных объективов рассчитан на свое значение расстояния до исследуемой поверхности и оптически сопряжен с оптическим зондом оптоволоконного жгута 12, по которому возбуждающее излучение Уф светодиодов, сгруппированных в блоки по длинам волн λ1 и λ2 (блоки 14 и 15 соответственно) и выбираемых из диапазона длин волн в зависимости от заданного перечня обнаруживаемых веществ, поступает по передающим каналам оптоволоконного жгута 12 в оптический зонд и через объектив блока 10 проецируется на исследуемую поверхность. Оптическое сопряжение передающих каналов оптоволоконного жгута 12 с блоками светодиодов 14 и 15 осуществляется с помощью стандартных оптических разъемов 23. Вторичное излучение (ФЛ), рассеянное исследуемой поверхностью, собирается тем же объективом блока 10, и через приемный волоконный канал 22 оптического зонда (фиг. 3) поступает на оптический вход светосильного статического Фурье-спектрометра (СФС) 18 также через стандартный оптический разъем 23 (устройство СФС 18 показано на фиг. 4). Блоки светодиодных излучателей 14 и 15 конструктивно могут быть объединены с СФС 18 или вынесены в отдельный осветительный блок. Измерительный сигнал с выхода СФС 18 поступает в БОУМ 7, который помимо обработки измерительной информации осуществляет управление работой всех источников возбуждающего излучения 11, 14, 15 и 16. Источник 11 представляет собой осветитель, в корпусе которого размещены две группы многоплощадочных светодиодов с длинами волн, аналогичными используемым в блоках 14 и 15.A device for remote non-sampling detection and identification of chemicals contains (Fig. 2) a block of
Осветитель 11 может быть использован вместо оптоволоконного жгута 12 с блоком сменных объективов 10 для более эффективного возбуждения ФЛ. При этом формируются открытые каналы для возбуждающего излучения, а рассеянное вторичное излучение проецируется приемным объективом на входной срез оптического зонда, который имеет такую же апертуру, как и оптический зонд оптоволоконного жгута 12, за исключением того, что в оптоволоконном жгуте 13 осветителя 11 все волокна приемные, чем достигается большая светосила оптоволоконного приемного канала по сравнению со жгутом 12.The
Для возбуждения КР в устройстве используют УФ лазерный источник 16. Для обеспечения эффективной регистрации спектров КР, формируемых при использовании источника 16 в приемный оптический канал СФС 18, вводят блок сменных вырезающих фильтров 17. Фильтр выбирают в зависимости от длины волны лазерного источника 16 и он предназначен для вырезания излучения на длине волны возбуждения из спектра вторичного излучения.To excite Raman scattering in the device, a UV laser source is used 16. To ensure efficient recording of Raman spectra generated when using
Конструктивно лазерный источник 16 представляет собой отдельный блок, управляемый единым блоком 7. Результат обработки измерительной информации выводится на средства индикации устройства, реализованные в блоке 20. Система вторичного электропитания 21 обеспечивает возможность работы устройства как от промышленной, так и бортовой сети.Structurally, the
На фиг. 3 представлена схема оптоволоконного зонда 10 и примерный вид (А-А) сечения синтезированной апертуры оптоволоконного зонда 10. В зонд собираются световоды оптоволоконного жгута 12:In FIG. 3 shows a diagram of a
- приемный волоконный канал 22 (белые круги) со стандартным SMA оптическим разъемом 23;- receiving fiber channel 22 (white circles) with a standard SMA
- передающие волоконные каналы 24, 25, 26 (на Фиг. 3 заштрихованные круги).- transmitting
Такая конструкция сечения 27 зонда 10 обеспечивает более эффективное использование апертуры зонда для сбора и передачи вторичного излучения исследуемых образцов и возможность дистанционного анализа с использованием всего лишь одного проекционного объектива.This design of the
На Фиг. 4 представлена блок-схема статического Фурье-спектрометра (СФС) 18. Возбуждающее излучение формируется узлом излучателей с двумя УФ светодиодными источниками с разными длинами волн и лазером 18.6. По передающим каналам 24, 25, 26 через объектив 19 зонда 10 возбуждающее излучение попадает на исследуемую поверхность. Вторичное излучение формируется тем же объективом 19 зонда 10 и передается на оптический вход блока СФС 18 по приемному каналу 22.In FIG. 4 is a block diagram of a static Fourier spectrometer (SPS) 18. Excitation radiation is generated by a unit of emitters with two UV LED sources with different wavelengths and a laser 18.6. Through the transmitting
Объектив, согласующий 18.1, обеспечивает равномерную засветку светоделительного элемента 18.2. Светоделительный элемент 18.2 представляет собой склейку двух призм со скошенными зеркальными гранями и предназначен для формирования двумерной интерференционной картины, которая с помощью объектива проекционного малогабаритного 18.3 проецируется в плоскость ФПУ (матричная ПЗС-камера) 18.4. Светоделительный кубик (Фиг. 5) оптического тракта СФС изготавливают из двух призм методом склейки. Призмы должны быть изготовлены из кварца, прозрачного в ультрафиолетовой области спектра без полос поглощения, нелюминесцирующего. Геометрические размеры призм должны быть обеспечены с точностью 1 мкм, углы с точностью не более ±30 угловых секунд. На одну из плоскостей (катет) каждой из призм наносят просветляющее покрытие, на другую плоскость (катет) - зеркальное покрытие. На плоскость гипотенузы одной из призм должно быть нанесено светоделительное покрытие, обеспечивающее светоделение в отношении 1/1. При изготовлении необходимо для обеспечения симметричного расхождения лучей, формирующих двумерную интерферограмму, соблюсти с точностью до 1 мкм равенство расстояний (отрезков, отмеченных на фиг. 5 двумя штрихами) от центра светоделительного кубика до отражающих граней призм.The lens matching 18.1 provides uniform illumination of the beam splitting element 18.2. The beam splitting element 18.2 is a gluing of two prisms with beveled mirror faces and is designed to form a two-dimensional interference pattern, which is projected using the projection small-sized lens 18.3 into the plane of the FPU (matrix CCD camera) 18.4. The beam splitting cube (Fig. 5) of the SPS optical path is made of two prisms by gluing. Prisms should be made of quartz, transparent in the ultraviolet region of the spectrum without absorption bands, non-luminescent. The geometric dimensions of the prisms must be provided with an accuracy of 1 μm, angles with an accuracy of not more than ± 30 arc seconds. An antireflection coating is applied to one of the planes (leg) of each prism, and a mirror coating is applied to the other plane (leg). A beam splitting coating should be applied to the plane of the hypotenuse of one of the prisms, providing a beam splitting ratio of 1/1. In the manufacture, it is necessary to ensure the equality of the distances (the segments marked in Fig. 5 by two lines) from the center of the beam splitter to the reflecting faces of the prisms with an accuracy of 1 μm to ensure a symmetric divergence of the rays forming the two-dimensional interferogram.
Для обеспечения электропитанием всех функциональных узлов и блоков СФС предназначена плата питания и управления 18.7, которая обеспечивает также возможность подзарядки аккумуляторных батарей 18.8 при работе от внешних источников электропитания из состава системы вторичного электропитания 21. В состав системы вторичного электропитания 21 входят источники вторичного электропитания (ИВП-1), предназначенные для работы от промышленной сети и ИВП-2 - от бортовой сети. В дополнение к ним входит также зарядное устройство.To provide power to all functional units and blocks of the SPS, the power and control board 18.7 is designed, which also provides the ability to recharge the batteries 18.8 when working from external power sources from the secondary
Сигнал с ФПУ 18.4 поступает для обработки в блок микропроцессорный 18.5. Результат обработки далее поступает в блок средств индикации 18.9 и в блоки управления 7 и индикации 20, обеспечивающие световую и звуковую индикацию. Блоки управления 7 и индикации 20 предназначены также для обеспечения удобства управления работой прибора, включения/выключения прибора, а также для переключения режимов работы.The signal from the FPU 18.4 arrives for processing in the microprocessor unit 18.5. The processing result then goes to the block of indicating means 18.9 and to the
После накопления регистрируемых интерферограмм в цифровом виде с помощью матричного фотоприемного устройства и получения результирующих интерферограмм (результирующие, но не исправленные интерферограммы для длин различных волн излучения λ1 и λ2 показаны на фиг. 6) выполняют исправление этих результирующих интерферограмм с использованием оптической маски (исправленные интерферограммы показаны на фиг. 7), затем из исправленных интерферограмм получают спектры с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) и далее вычисляют коэффициенты корреляции спектров исследуемого вещества со спектрами отдельных веществ, составляющими рабочую базу спектральных данных в памяти БОУМ.After accumulating the recorded interferograms in digital form using a photodetector array device and obtaining the resulting interferograms (resulting but not corrected interferograms for different radiation wavelengths λ 1 and λ 2 are shown in Fig. 6), these resulting interferograms are corrected using an optical mask (corrected interferograms are shown in Fig. 7), then spectra are obtained from the corrected interferograms using the fast Fourier transform (FFT) and then the coefficients are calculated correlations of the spectra of the investigated substance with the spectra of individual substances that make up the working base of spectral data in the memory of the BOUM.
В таблице 1 (фиг. 8) показаны результаты (при облучении на длинах волн λ1 и λ2) обнаружения и идентифицикации по средним арифметическим величинам коэффициентов корреляции спектров экспериментального вещества со спектрами отдельных веществ, составляющими рабочую базу спектральных данных. Пороговым значением среднего арифметического коэффициентов корреляции для обнаружения и идентифицикации веществ была взята общепринятая величина 80%. В результате обработки экспериментальных данных примера осуществления способа было признано обнаруженным и идентифицированным только одно из семи корреляционно значимых (с коэффициентами корреляции не менее 50%) веществ.Table 1 (Fig. 8) shows the results (when irradiated at wavelengths λ 1 and λ 2 ) of detection and identification by arithmetic mean values of the correlation coefficients of the spectra of the experimental substance with the spectra of individual substances that make up the working base of spectral data. The threshold value of the arithmetic mean of the correlation coefficients for the detection and identification of substances was taken to a generally accepted value of 80%. As a result of processing the experimental data of an example embodiment of the method, only one of the seven correlation-significant (with correlation coefficients of at least 50%) substances was found and identified.
Заявленный способ дистанционного беспробоотборного обнаружения и идентификации химических веществ и объектов органического происхождения и устройство для его осуществления реализованы в приборе, который в настоящее время проходит испытания, результаты которых подтверждают правильность принятых технических решений.The claimed method for remote non-sampling detection and identification of chemicals and objects of organic origin and a device for its implementation are implemented in the device, which is currently undergoing tests, the results of which confirm the correctness of the technical solutions.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014130158/28A RU2567119C1 (en) | 2014-07-22 | 2014-07-22 | Method for remote wireless detection and identification of chemical substances and organic objects and device therefor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014130158/28A RU2567119C1 (en) | 2014-07-22 | 2014-07-22 | Method for remote wireless detection and identification of chemical substances and organic objects and device therefor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2567119C1 true RU2567119C1 (en) | 2015-11-10 |
Family
ID=54536893
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014130158/28A RU2567119C1 (en) | 2014-07-22 | 2014-07-22 | Method for remote wireless detection and identification of chemical substances and organic objects and device therefor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2567119C1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2233438C1 (en) * | 2003-08-26 | 2004-07-27 | Брюховецкий Александр Павлович | Method for remote finding and identification of organic-origin objects |
-
2014
- 2014-07-22 RU RU2014130158/28A patent/RU2567119C1/en active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2233438C1 (en) * | 2003-08-26 | 2004-07-27 | Брюховецкий Александр Павлович | Method for remote finding and identification of organic-origin objects |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9958398B2 (en) | Measuring parameters of a cut gemstone | |
US8339598B2 (en) | Compact, low cost raman monitor for single substances | |
EP3505916B1 (en) | Device for identifying a diamond | |
JPH10170429A (en) | Adjustable excitation and/or adjustable detection microplate reader | |
KR20150037977A (en) | Dual spectrometer | |
US5422719A (en) | Multi-wave-length spectrofluorometer | |
RU2396546C2 (en) | Spectrophotometre | |
JPH0915156A (en) | Spectroscopic measuring method and measuring device | |
US11435296B2 (en) | Method and system for grading gemstones | |
WO2007083691A1 (en) | Optical analyzer | |
RU2567119C1 (en) | Method for remote wireless detection and identification of chemical substances and organic objects and device therefor | |
US7446867B2 (en) | Method and apparatus for detection and analysis of biological materials through laser induced fluorescence | |
RU2478192C2 (en) | Method for optical remote detection of compounds in medium | |
JP2000329682A (en) | Analyzer for simultaneous execution of raman spectroscopic analysis and particle size distribution measurement | |
JP2005331419A (en) | Microscopic spectral measuring instrument | |
WO1996000887A1 (en) | An improved optical sensor and method | |
RU115486U1 (en) | DEVICE FOR CONTACTLESS IDENTIFICATION OF SUBSTANCES AND / OR DETERMINATION OF CONCENTRATIONS OF SUBSTANCES IN THE COMPOSITION OF MULTICOMPONENT MIXTURE | |
EP3910323A1 (en) | Combined spectroscopy system including raman and atr-ftir | |
JP5363976B2 (en) | Measuring apparatus and method for characteristic evaluation by reflectance measurement | |
JPH04270943A (en) | Spectrum analyzer | |
SU1117460A1 (en) | Device for measuring emission spectra | |
EP1980841A1 (en) | Method and Apparatus for Detection and Analysis of Biological Materials through Laser Induced Fluorescence | |
RU81334U1 (en) | OPTICAL GAS ANALYZER | |
CN111122547A (en) | Dynamic Raman scattering light analysis device | |
Bonilla-Manrique et al. | Multi-purpose Instrument for the Measurement of Fluorescence Intensity and Lifetime |