Наведено огляд сучасних акустооптичних спектральних приладів, які застосовуються для вирішення завдань моніторингу стану навколишнього середовища. Розглянуто акустооптичний спектрометрический комплекс для моніторингу вод Світового океану.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Перчик Олексій В'ячеславович, Пожежа Вітольд Едуардович, Пустовойт Владислав Іванович, Шуригін Олександр Вікторович


Область наук:
  • нанотехнології
  • Рік видавництва діє до: 2012
    Журнал
    Інженерний журнал: наука та інновації
    Наукова стаття на тему 'акустооптичні СПЕКТРАЛЬНІ Прилади для ЗАВДАНЬ ЕКОЛОГІЇ'

    Текст наукової роботи на тему «акустооптичні СПЕКТРАЛЬНІ Прилади для ЗАВДАНЬ ЕКОЛОГІЇ»

    ?УДК 504.064.3 + 534: 535

    А. В. Перчик, В. Е. Пожежа, В. І. Пустовойт, А. В. Шуригін

    Акустооптичні СПЕКТРАЛЬНІ Прилади для ЗАВДАНЬ ЕКОЛОГІЇ

    Наведено огляд сучасних акустооптичних спектральних приладів, які застосовуються для вирішення завдань моніторингу стану навколишнього середовища. Розглянуто акустооптичний спектрометрический комплекс для моніторингу вод Світового океану.

    E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Ключові слова: акустооптика, акустооптичний фільтр, спектрометр, відеоспектрометр, екологічний моніторинг.

    Спектральні методи вивчення стану навколишнього середовища знаходять широке застосування в задачах екологічного моніторингу. При цьому використовуються як лабораторні, так і польові спектрометрические комплекси, бортові прилади і апарати, що базуються на авіаційних і космічних носіях. Спектральні прилади служать для вивчення складу атмосферного повітря, дистанційного зондування землі, визначення стану вод Світового океану.

    Для вирішення такого широкого кола завдань спектральні прилади повинні володіти особливими властивостями. Для роботи зі слабкими спектральними лініями і в умовах великого фонового випромінювання необхідна велика світлосила при високій спектральної роздільної здатності. Для вирішення завдань кількісного визначення складу атмосферного повітря слід забезпечити можливість довільної спектральної адресації. Польові і бортові прилади повинні задовольняти вимогам компактності. Прилади авіаційного і космічного базування повинні мати підвищену надійність і не містити рухомих частин. Подібними властивостями володіють прилади, побудовані на основі акустооптичних (АО) монохроматоров [1].

    АТ-монохроматор працює наступним чином [2]: досліджуване випромінювання дифрагує на наведеної в кристалічній середовищі акустичної хвилею об'ємної дифракційної решітці. Період наведеної решітки, а отже, і довжина хвилі оптичного випромінювання, що пропускається монохроматором, визначаються високочастотним керуючим сигналом, що подається на пьезопреобразователь, прикріплений до кристалу. У сучасних приладах для підвищення спектрального контрасту застосовують подвійні акустооптичні моно-

    хроматори [3], рівень придушення поза смуги пропускання у таких монохроматоров - до 10-6 .

    Лабораторні акустооптичні прилади. У лабораторних дослідженнях застосовуються акустооптичні спектрометри, що працюють в різних інтервалах спектра: від ультрафіолетового (УФ) до інфрачервоного (ІК). Діапазон роботи спектрометра визначається властивостями кристала монохроматора. За допомогою даних приладів можна досліджувати спектри свічення пропускання або розсіювання об'єктів.

    Для дослідження комбінаційного (раманівського) розсіювання (КР) застосовують прилади серії ЯЛОБ спільно з лазерним джерелом. Випромінювання лазера розсіюється досліджуваним об'єктом, спектр розсіяного випромінювання дозволяє судити про хімічний склад досліджуваного зразка. Таким способом досліджують проби води з різних водойм.

    Для дослідження просторового розподілу спектрально контрастних елементів об'єктів, наприклад тканин живих організмів, розроблений мікровідеоспектрометр, що представляє собою насадку на оптичний мікроскоп. За допомогою даного приладу можна досліджувати відхилення в структурі живих організмів, що з'явилися в результаті контакту з несприятливою навколишнім середовищем. Перебудовуючи по спектру монохроматор, дослідник отримує набір зображень в різних спектральних інтервалах для подальшої обробки [4]. Проведено ряд досліджень біологічних тканин і виявлені спектральні особливості деяких з них. За допомогою інфрачервоного спектрометра ЯЛОБ отримані спектри пропускання атмосфери, що показали чутливість спектрів до вологості в ближній ІЧ-області.

    Акустооптіческіе прилади для моніторингу стану атмосфери. Спектральні АТ-пристрої застосовуються в якості мобільних багатофункціональних (перенастроювати) спектральних детекторів для отримання гіперспектральних інформації і швидкої (в реальному часі) виборчої реєстрації будь-спектральної вибірки з високим просторовим дозволом. В якості інформативних величин можуть використовуватися лінії поглинання атмосферних газів (Н2О, СО2, О3), а також контрольованих газів - забруднювачів атмосфери. Для цього розроблено та обґрунтовано алгоритми оптимального адаптивного змінюваного вибору спектральних каналів на основі спектроскопії з довільної спектральної адресацією.

    Для контролю повітря на промислових підприємствах розроблено газоаналітичний АТ-спектрометр [5], що дозволяє визначати наявність різних забруднювачів на рівні гранично допустимих концентрацій для житлової зони. До особливостей спектрометра

    відносяться: одночасне вимірювання різних забруднювачів, можливість розширення списку реєстрованих речовин програмними засобами, оптимізований швидкісний режим вимірювань, компактність системи.

    Акустооптіческіе методи і прилади для моніторингу стану вод Світового океану. Спектральні методи є чутливими і інформативними методами вивчення вод Світового океану, принцип роботи яких заснований на різних фізичних ефектах, таких як абсорбція, комбінаційне розсіювання, флуоресценція. Спектр поглинання водного середовища дозволяє визначити тип вод і оцінити зміст суспензії і розчиненої органічної речовини у воді. На підставі цих даних роблять висновок про гідрології досліджуваної ділянки океану, його біохімії і біопродуктивності.

    Для задач визначення складу розчинених речовин і забруднень у воді більш інформативними є методи реєстрації розсіювання світла.

    Для досліджень розчинених неорганічних солей і газів інтерес представляє спектроскопія КР. За допомогою КР-спектро-метра можна визначати зміст основних аніонів (карбонатних, сульфатних, фосфатних), а також основних газів (кисню, азоту, сірководню).

    Спектри флуоресценції дозволяють досліджувати розподіл і динаміку флуоресціює компоненти розчиненої органічної речовини, а також виявити наявність у воді органічних забруднень, зокрема вуглеводнів. Можливість неруйнівного-ного контролю речовини в малих обсягах з надзвичайно низьким порогом виявлення, придатність для роздільного визначення речовин в їх суміші (селективність), доступність необхідних технічних засобів - основні переваги фотолюмінісцентних методів аналізу, завдяки яким вони отримали широке практичне застосування. Інтерес представляє діапазон, який відповідає довжинах хвиль випромінювання 200 ... 740 нм, т. Е. УФ і видимої (400 ... 740 нм) областях спектра. ІЧ-випромінювання сильно поглинається водою, і тому свічення тел в ІК-області не становить інтерес при вивченні оптичних явищ в Світовому океані. У порівнянні з іншими типами люмінесцентного світіння фотолюмінісценція вивчена краще і застосовується ширше завдяки доступності необхідних технічних засобів, можливості управляти її збудженням і отримувати інформацію про будову і властивості речовини. Стосовно до молекул органічних сполук інформативність обумовлена ​​тим, що фотолюмінісценція виникає внаслідок змін енергії зовнішніх валентних електронів електронної про-

    лочки молекули. Вони пов'язують її частини, через них молекула взаємодіє з навколишнім середовищем.

    Зазвичай люмінесцентний аналіз проводять на зразках або препаратах, попередньо спеціально підготовлених таким чином, щоб оптимізувати вимір фотолюмінесценції. Особливістю вивчення спектральних характеристик вод природних водойм (як морських, так і прісних) є відсутність можливості попередньої підготовки зразка, при якій можна звести до мінімуму механізми гасіння люмінесценції. В першу чергу це відноситься до механізмів температурного гасіння люмінесценції.

    Вимірювання фотолюмінесценції препаратів, зразків та інших статичних розрізнених об'єктів в лабораторних дослідженнях виконуються в умовах, якими можна управляти, тоді як об'єктами спостережень в товщі морської води є неперервно розподілені мінливі субстанції, які перебувають в умовах, що не піддаються впливу експериментатора. Фотолюмінесцентного визначення змісту речовини в морській воді методом зондування або з використанням заглибних спектрометрів виключає будь-який спосіб оптимізації і вимагає враховувати співвідношення оптичних властивостей визначається субстанції, самої води і містяться в ній домішок різного походження.

    Розроблено спектрометрический комплекс для моніторингу водної поверхні з борта судна [6], що включає двоканальний АТ-спектрометр, міні-спектрометр, пірометр і GPS-приймач. З його допомогою в автоматичному режимі реєструвалася спектральна інформація про висхідному від поверхні води випромінюванні. Спектрометр розроблений на новій елементній базі з розширеними можливостями. Так, поєднання в ньому адаптивного двухкрістального АТ-спектрометра з міні-спектрометром, що дає грубий спектр, але в реальному масштабі часу, і дистанційним вимірювачем температури дозволяє істотно збільшити ефективність і достовірність отриманих даних. Випробування вимірювального комплексу проводилися з борту судна в акваторії Азовського моря.

    Розроблений комплекс призначений для вимірювання з борта судна або літака спектральної щільності енергетичної яскравості висхідного від поверхні моря потоку випромінювання у видимому діапазоні спектра і має такі особливості: як спектральних елементів застосовані подвійні АТ-монохроматори; вузли знаходяться забезпечують довільну спектральную адресацію з точністю до часток смуги пропускання, що дозволяє точно прописувати контури спектральних ліній; використовувана електроніка разом з різноманітним програмним забезпеченням реалізує раз-

    особисті режими вимірів, а саме реєстрацію спектрів, часових залежностей і режим довільної спектральної адресації.

    Крім того, сучасна елементна база дозволяє значно скоротити розміри апаратури, здійснювати попередню обробку інформації безпосередньо в приладі, видаючи мінімально необхідну кількість інформації, що важливо для оптимізації обсягу інформації в лініях зв'язку і в базах даних.

    Дистанційний вимірювач температури і ОРБ-приймач доповнюють спектри супутньою інформацією: температурою і просторової прив'язкою. Міні-спектрометр на основі дифракційної решітки і лінійки фотодетекторов забезпечує реєстрацію всього спектра в режимі реального часу. Він працює безперервно, отримуючи «миттєву» інформацію про спектр з «грубим» дозволом. При реєстрації міні-спектрометром досліджуваних ділянок в спектрі висхідного випромінювання включається АТ-спектрометр для більш детального вимірювання виділених ділянок.

    Для досліджень були обрані 16 точок акваторії Азовського моря з різними типами водних мас, на які впливають стоки річок Дону, Кубані, Обіточної, а також стоки промислових міст Маріуполя, Бердянська, Темрюка, Єйська. В якості основної визначається величини обраний коефіцієнт спектральної яскравості (КСЯ) водної товщі. Для цього проводилися вимірювання трьох величин: СПЕЯ водної поверхні, СПЕЯ ділянки неба, що обумовлює складову в яскравості водної поверхні внаслідок релєєвського відображення цієї ділянки і СПЕЯ від еталонного внутрішнього джерела.

    Висока спектральна роздільна здатність апаратури і точна прив'язка виділяються спектральними каналами ділянок до шкали довжин хвиль дозволили виявити в спектрах і більш тонкі ефекти. Так, можна впевнено розрізнити характерні ознаки, обумовлені поглинанням світла пігментами фітопланктону. Крім того, в ряді спектрів проявляється структура, що виникає в результаті поглинання хлорофілу. За характерними ознаками отриманих оптичних спектрів були оцінені концентрації деяких присутніх в воді домішок.

    Таким чином, проведені дослідження показали, що розроблений спектрометрический комплекс може бути використаний для розпізнавання забруднення товщі води викидами промислових підприємств, забруднення поверхні води нафтопродуктами, кількісного визначення вмісту хлорофілу, розподілу жовтого речовини і мінеральної суспензії в водах морів і океанів, розпізнавання видів фітопланктону, оцінки ступеня покриття водойм рослинністю.

    Описаний вище спектрометр дозволяє реєструвати стан тільки поверхневого шару океану. У той же час забруднювачі, змиті з поверхні суші, можуть накопичуватися в різних глибинних шарах товщі морської води. Для отримання інформації про більш глибокі шари необхідні прилади, які могли б визначати стан вод на різній глибині. Такий апарат може буксируватися судном на необхідній глибині для моніторингу глибинних шарів.

    Крім того, існує завдання дослідження властивостей морських вод в природних умовах (не відтворювальних повністю в лабораторії) при високому тиску і особливих станах речовини, наприклад газогідратів.

    Новітньою розробкою є спектрометрический комплекс, що дозволяє проводити вимірювання безпосередньо в товщі води на місці знаходження судна, що буксирує [6]. Особливостями даного спектрометра є невеликі габарити, можливість роботи як в автономному, так і в буксируемом режимах. Спектрометр дозволяє проводити безперервний моніторинг складу води в найбільш важливих точках Світового океану, в тому числі з дозволом по глибині.

    Спектрометричний комплекс для реєстрації спектрів люмінесценції включає в себе лазерний джерело, програмований светосильний високочутливий спектрометр, засоби управління і обробки результатів вимірювань. Комплекс розташовується в герметичному корпусі, занурюватися на глибину до 20 м.

    Для реєстрації оптичних спектрів використовується спектрометр на основі перебудовується АТ-монохроматора. Такий спектрометр є светосильним, причому його вхідна апертура на один-два порядки перевершує апертуру сучасних дифракційних міні-спектрометрів, використовуваних в тому числі для морських і підводних досліджень. Спектрометр є програмно-керованим, причому режим робіт може змінюватися і оптимізуватися безпосередньо в процесі експлуатації комплексу без зміни апаратної частини приладу. Для підвищення чутливості комплексу в спектрометрі застосований подвійний АТ-монохроматор.

    Як лазерного джерела використаний компактний твердотільний лазер (з довжиною хвилі 532 нм). Випромінювання лазера за допомогою оптичної системи направляється в досліджувану середу, розсіяне випромінювання збирається прийомним об'єктивом, а потім фільтрується АТ-монохроматором і реєструється фотоелектронним помножувачем (ФЕУ). Сигнал з ФЕУ оцифровується за допомогою аналогово-цифрового перетворювача і аналізується на комп'ютері.

    В ході робіт була проведена обробка даних, отриманих при випробуваннях спектрометричного підводного комплексу. основою

    для аналізу були спектри розсіяного в товщі води лазерного випромінювання, зареєстровані приладом в восьми різних точках акваторії Азовського моря. Для кожної географічної точки вимірювання проводилися на різних глибинах: від 0,3 м до 6 м. На глибині менше 1 м в одержуваних спектрах спостерігається вплив спектра неба, який має характерні особливості, що дозволяють використовувати їх для спектральної калібрування комплексу по довжині хвилі. Однією з таких особливостей є лінії Фраунгофера, що представляють собою лінії поглинання в хромосфері Сонця, видимі на тлі безперервного спектра фотосфери.

    Незалежно від присутності шумів в отриманому спектрі лінії Фраунгофера добре помітні на спектрах при малій глибині проведення експерименту. Оскільки значення довжин хвиль, відповідні лініях поглинання, відомі і не залежать від зовнішніх факторів, їх можна використовувати для контролю точності юстирування приладу по довжинах хвиль.

    Потім проводили аналіз залежності зміни величини сигналів від глибини вимірювання. Для цього спочатку вибирали дві найбільш репрезентативні довжини хвилі: з області основного максимуму (жовто-зелена частина спектра) і з червоною області, відповідної додатковому піку функції в області 680 нм. Для всіх географічних точок максимум інтенсивності для цього діапазону довжин хвиль на глибині при включеному лазері спостерігається при довжині хвилі 679 нм. Для порівняння використовували спектр інтенсивності від глибини на 579 нм, що відповідає максимуму інтенсивності спектра неба. Аналіз показав, що в області основного піку (579 нм) випромінювання спадає експоненціально з глибиною, а в сфері додаткової піку - виходить на постійний рівень. Це означає, що оптичний сигнал в першому випадку викликається сонячним випромінюванням, а в другому - іншим фактором, що не залежать від глибини. З урахуванням того, що за відсутності лазерного випромінювання (532 нм) оптичний сигнал знижується експоненціально, можна стверджувати, що спостережуваний джерело світла на довжині хвилі 679 нм обумовлений флуоресценцией знаходяться у воді речовин і суспензії, які можуть бути пов'язані з розчиненим органічною речовиною або веществамі- забруднювачами, мікроорганізмами.

    Для аналізу даних з приладів серії «ОКЕАН» розробляються відповідні методики і програмні засоби.

    Інформація про спектрах і службова інформація зберігається в базі даних в незміненому вигляді, що дозволяє проводити її обробку паралельно з удосконаленням і розробки нових методик.

    Завдання обробки спектральної інформації. В рамках науково-дослідної роботи студентів вирішувалося завдання по створенню

    алгоритмів обробки спектрів, що містять характеристичні лінії, в пакетах Origin і Matlab. Була розроблена програма для обробки лінійчатих спектрів з низькоамплітудні гладким фоном. Подібні спектри притаманні різним калібрувальних джерел, а також спектрами пропускання води, отриманим з підводного АТ-спектрометричного комплексу. Порядок обробки спектрів наступний.

    1. Імпорт текстових даних з файлу відомого розширення і структури. Оскільки робота ведеться з приладами, вихідні файли яких мають розширення .dat або .txt, а також структура виведення даних і заголовків не змінюється від виміру до виміру, то дана операція виконується однією функцією (importdata ()) і не вимагає попередньої підготовки.

    2. Розбиття всього спектрального діапазону на ділянки. Дана операція застосовується для виділення лінії (кривої невідомої заздалегідь форми) фону. В даний час вибір ширини інтервалів виключно статистичний, це виправдано тим, що мета поточної реалізації полягає в обробці спектрів з однаковими спектральними діапазонами і налаштуванням приладу. Надалі планується обчислювати ширину ділянки, виходячи з апріорних даних про спектральному діапазоні, кількість зареєстрованих точок і апаратної функції приладу.

    3. Присвоєння кожному виміру вагового коефіцієнта в залежності, обернено пропорційній його амплітуді. Дана операція повинна усунути вплив вузьких піків випромінювання на подальше обчислення середньозважених значень на кожній дільниці, які будуть використані для побудови лінії фону. Це найбільш проста з можливих операцій і дає хороші результати для цільових спектрів. Подальше вдосконалення методики буде пов'язано з введенням лінії регресії і урахуванням кінцевої ширини піків, що забезпечить повне усунення впливу ліній випромінювання на результат. Слід зазначити, що даний алгоритм заснований на припущенні гладкості фону, що дозволяє розглянути його на кожному малому ділянці в наближенні до лінійної функції.

    4. Інтерполяція функції фону по точкам, обчисленим в попередньому пункті. На даному етапі не розглядалася можливість застосування методики для роботи з спектрами, в яких фон має розриви першої похідної.

    5. Далі функція фону віднімається з вихідного спектра. В результаті отримуємо набір даних, що включають лінії випромінювання і деякий шум.

    6. На останньому етапі проводиться обчислення положень ліній. Первинне визначення здійснюється шляхом пошуку локальних максимумів. Далі положення уточнюється за допомогою аподизації апаратної функцією. В результаті отримуємо значення положення

    лінії випромінювання і її амплітуди. Методика може бути поліпшена введенням можливості завдання функції аподизації.

    Висновки. Розробка спектральних АТ-приладів для вирішення завдань, пов'язаних з екологічним моніторингом, є перспективною і дозволить вирішувати знову з'являються завдання на високому рівні, наприклад: дослідження забруднень товщі води промисловими і сільськогосподарськими підприємствами, нафтопродуктами, кількісне визначення вмісту хлорофілу, розподілу жовтого речовини і мінеральної суспензії в водах морів і океанів, зміст фітопланктону і розпізнавання його видів.

    Перспективними є такі напрями досліджень:

    • створення комплексів авіаційно-космічного базування;

    • створення АТ-систем бачення для дистанційного моніторингу;

    • розробка програмних засобів, що дозволяють створити на основі АТ-приладів і комплексів сучасну інформаційну систему.

    Дослідження проведені за підтримки Міністерства освіти і науки РФ в рамках програми «Наукові та науково-педагогічні кадри інноваційної Росії», контракт П972 від 27 мая 2010 г. «Проведення пошукових науково-дослідних робіт за напрямом« Моніторинг і прогнозування стану атмосфери та гідросфери ».

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Пустовойт В. І., Пожежа В. Е. Акустооптіческіе спектральні пристрої: стан і перспективи // Вісник МГТУ ім. Н.е. Баумана. Сер. Приладобудування. 2011. № 2. С. 6-15.

    2. Акустооптіческіе процесори спектрального типу / Под ред. В. В. Проклова, В. Н. Ушакова. М .: Радіотехніка, 2012. 192 с.

    3. Мазур М. М., Пожежа В. Е., Пустовойт В. І., Шорін В. Н. Подвійні акустооптичні монохроматори // Успіхи сучасної радіоелектроніки. 2006. № 10. С. 19-30.

    4. Пожежа В. Е., Пу стовойт В. І. Можливості створення нових систем бачення на основі акустооптичних відеоспектрометров. // Радіотехніка та електроніка, 1996. Т. 41. Вип. 10. С. 1272-1278.

    5. Сучасні засоби і методи акустооптичні спектрометрії / В.І. Пустовойт, В.Е. Пожежа, Е.А. Отліванчік і ін. // Успіхи сучасної радіоелектроніки. 2007. № 8. З .48-56.

    6. Пожежа В. Е., Фадєєв А. В. Особливості використання акустооптичних спектрометрів в задачах моніторингу атмосферного повітря // Успіхи сучасної радіоелектроніки. 2008. № 12. С. 53-59.

    Стаття надійшла до редакції 28.09.2012.


    Ключові слова: акустооптика / акустооптичні ФІЛЬТР / СПЕКТРОМЕТР / ВІДЕОСПЕКТРОМЕТР / ЕКОЛОГІЧНИЙ МОНІТОРИНГ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити