Способ дистанционной регистрации газообразных объектов

(51)5 (: 0 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНН А ВУОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Институт космических исследований АН СССРс(56) Якушенков Ю, Г, Основы оптико-электронного приборостроения. М.: Советское радио, 1977, с. 209 - 222.Яогеу 1.%. Ч.,Юа 1 зоп Р. М., Тоомпеа 5. Н., ОЬвегча 11 опв о 1 1 апп 1 гагед 11 пе в 1 гцс 1 цге спев ОП 188,35 гп 1 сгопв апд 0163,2 гп 1 сгопз. - Ав(горЬуз,З;, 1979, ч, 233, р. 109 - 118, , (54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ РЕГИСТРАЦИИ .ГАЗООБРАЗНЫХ ОБЪЕК- ТОВ(57) Изобретение относится к области дистанционной регистрации газообразных объектов по ллинноволновым ИК-спектрам излучения молекул и может быть использовано лля обнаружения и идентификации веществ в астрофизических объектах, атмосферах Земли и планет и др. газообразованиях.Существо способа заключается в том, что олновременно регистрируют не менее лвух эквидистантно расположенных линий вра.щательного спектра осесимметричной (линейной и двухатомной) молекулы, которая характерна для исследуемого объекта. Особенность регистрации состоит в детектировании суммарного сигналаобусловленного интенсивностью указанных линий за вычетом интенсивности сплошного спектра. 1 з.п. ф-лы, д 2 ил.Изобретение относится к области об. наружения и идентификации газообразных веществ в астрофизических объектах, атмос. ферах Земли и планет и др. удаленных обьектах методами дистанционной оптической спектроскопии в длинноволновой ИК-области спектра.Целью изобретения является повышение надежности обнаружения, сокращение времени измерений и обеспечение возможности регистрации протяженных газообразных обьектов, содержащих линейные и двухатомные молекулы.Существо способа заключается в том, что обнаружение и идентификация газообразных объектов осуществляется путем одновременной регистрации двух или более эквидистантно расположенных линий врагцательиого спектра осесимметричной (линейной и двухатомной) молекулы, которая характерна для исследуемого обьекта,Особенность регистрации состоит в обеспечении возможности выделения полезного сигнала как на стадии узкополосной фильтрации не менее чем в двух спектральных интервалах и модуляции длины волны, так и при .преобразовании излучения в сигнал, детектируемый синхронно с модуляцией по длине волны, причем изменение полярности внешнего сигнала осуществляют переключением фазы модуляции на 80 с одновременным быстрым переходом на участок сравнения непрерывного спектра. На фиг. 1 изображены спектральные составляющие сигнала, обусловленного регистрацией одной линии вращательного спектра; на фиг. 2 - одновременно трех линий.На фиг. 1 (а и б) 1 - линия врашательного спектра, 2 и 3 - непрерывный спектр внешнего сигнала (объекта и фона) и собственного излучения при операциях фокусировки, фильтрации и модуляции, 4 и 5 - предварительная фильтрация, 6 - максимум интерференции узкополосной фильтрации, 7 - интервал регистрации спектра с линией в центре. При вычитании сигналов, зарегистрированных со смещением полей зрения на фиг, 1 (а и б), фон приборного происхождения 3 (заштрихован) взаимно уничтожается, но неоднородность внешнего фона остается (причем удваивается). Остают. ся также и регистрируются в виде шумов его флуктуации и фотонный шум.На фиг, 2 а .кривая 8 - предваритель- ная спектральная фильтрация одновременно трех вращательных линий 1 и их селекция и модуляция по длине волны до и после инвертирования фазы модуляции (положения инструментальных профилей 9 - 10 и 9 - 11 соответственно), а на фиг. 2 б 9-спектральный эквивалент результируюшего выходного сигнала, в котором сигнал в 23 раза больше (при некотором результируюшем значении температуры газа), а шум по крайней мере в 2,3 раза меньше, чем при ре.гистрации одной линии.5 Примером конкретного выполнения предл а гаемого способа является фокусировка излучения около длины волны Ь при помощи телескопа (объектива), охлажденного до температуры ниже Т=Ьс/4 КЛм=3500/Ь (Ь и К - постоянные Планка и Больцмана, с - скорость света, Л - максимальная длина волны в микрометрах). Рабочей длине волны Х =100 мкм соответствует охлаждение телескопа ниже 35 К, устраняюшее приборный фон и фотонный шум при измере ниях на фоне космоса и дающее возмож.ность при охлаждении всех оптических элементов включить в полосу предварительной фильтрации несколько молекулярных линий.Их одновременная селекция реализуется интерферометром Фабри-Перо /ИФП) с макси мумами пропускания на длинах волн2(4- а,л)пгде д - период металлосеточных отражателей;в - множитель, слабо зависящий отих коэффициента заполнения;с - расстояние (точнее оптическая длина пути) между отражателями;30 в - порядок интерференции.Для точной настройки на вращательные линии линейной (двухатомной) молекулы, имеюшей вращательную постоянную В идлины волн вращательных линийС35 Л -(2)подбирается число и=в/1=1/3, 1/2, 1, 2, 3,При и) максимумы пропускания ИФПрасположены по спектру чаще, чем враща,тельные линии, при и( - . реже, то есть используются не все линии, а при п=1 каждой врашательной линии молекулы со- ответствует свой максимум пропускания ИФП. Конкретный выбор зависит от мо лекулы (от В), фоновых условий и задачэксперимента. Например, для молекулы славиковой кислоты (НР) Х - 240 мкм/Ю и три линии на фиг. 2 - это Л=20 мкм, Лз= =80 мкм и Л 4=60, мкм. Модуляция при этом производится периодическим изменени ем величины зазора с формула (1) например,на интервал Ад=3 мкм. Тогда интервалы модуляции для трех линий нашего примера будут ЬЛ =2 Ьд/в, то.есть 3 мкм, 2 мкм М 1,5 мкм для гп=2,3,4 соответственно.При наблюдениях быстропеременных га 55 зообразных обьектов на нерегулярном пространственном и спектральном фоне, а также при работе в низких порядках ИФП и боль ш ом интервале м олул я и и и Л Л то ц ноет ь регистрации может понизиться вел елст в и е малой контрастности с пе ктрзл ьц ы х линий или может сильно возрасти оценка погрев. ности по двум отсчетам линии относитель. но разных участков сравнения церегуляр. ного непрерывного спектра. Контрастность может быть повышена в следуюсцем варианте способа: излучение после предварительной фильтрации разлеляют по признаку линейной поляризации на лвз ортогонально поляризованных пучка, в каждом цз этих пуц. ков производят узкополосную селекцию и модуляцию только своей, соответствующей поляризации, прицем модуляция в двух пуц. ках выполняется в противофазе и относительно уцастков сравнения, прилежащих к линии с противоположных сторон, затем пучки вновь объединяют и преобразовывают в один электрический сигнал. Конкретно разделение и объединение пучков выполняется одномерными металлопроволочными или металлосеточными решетками практически без потерь, поскольку фактор эффективности этих операций, равныйК,11 - К.1 + +Р 1где Й, и Йн - коэффициенты отражения волнс Е.поляризацией, соответственно параллельной и перпендикулярной щелям металлической решетки;а и Ь - постоянные, характеризующиерешетку,стремится к единице для достаточно длинных волн.По сравнению с известным способом, имеющим время цикла 80 с, можно регистрировать переменное излучение аналогичных молекул за время Ьм 10 раз меньше;5 Х 2,5Эгде фактор 5 - прямой выигрыш во времени, фактор 2,5 - эквивалентный выигрыш во времени из-за увеличения сигнала при одновременной регистрации нескольких линий, а фактор 3 принят в качестве минимального числа отсчетов лля срдзнеццц,1 ссятцкрдт.цый выигрыш вс 1 времени рс гцсрзсци от цосцгся, строго говоря, к бьцтроперсменцым объектам, тогда кзк лля стационарных, кзк в больцгццстве случаев в зстрофи сикс, оц це играет практической роли. Такой выигрыш можно сравнить с точки зрения его технико-экономической эффективности с ззтрдта.мц нд аналогичное уменьшенце времени регистрации путем снижения порога цувствцтсльцсссти глубокоохлаждаемых прцемцц.ков в /ИТ 3 раза, цто требует создания новой дорогостоящей криогенной техники и приемников излучения, з в условиях вцеш.него фона вообще невозможно.15Формулп изобретении. с. Способ дистанционной регистрациигазообразных объектов, здклктчзюцсцйся в фокусировке излучения молекул гззообраз.20 ного объекта, молуляциц цо длине волнывылелецного участка врзгцательцого спектра молекул объекта и регистрации интенсивностии излучения характерной линии этого спектра путем детектирования сцгцдлд сцц. 5 хроццо с лсодуляцией равцого разности интенсивностей линии и близлежащего по обе стороны от линии сплошного фона выде.ленного участка спектра, оглицпяиийгя тем, что с целью повышения надежности обнаружения, сокращения времени измерений ц 30 обеспечения возлюжцости ндблклоция протяженних объектов, соСержзс 1 Сих ликеРные и двухдтомные молекулы, регистрируют интенсивности це менее лвух эквцлцстзцтцо расположенных характерных линий врасцательного спектра молекул и детектцруют сцг.35 нал суммарной интенсивности линий зд вычетом интенсивности сплошного фона.2. Способ по п. 1, отличаесиийся тем,что, с целью повышения точности измерений быстропеременных объектов, сфокусиро- ванное излучение выделенного участка спектра разделяют нд лва ортогонально поляризованных пучка, модуляции в пучках осуществляют в противофазе друг к другу и детектируют сигнал, обусловленный суммар ной интенсивностью спектральных линий обоих пучков../НИИПИ Государственного ко13035, Москва,Производственно.нолнграфнче Соста Техред Тираж мнтета Ж - 35 ское пр внтель А, Ра И; Верес зИ. О:СР яодел Раушская едпрннтне, г.