Метод восстановления оптических спектров, измеренных акустооптическим спектрометром тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Кутуза, Игорь Борисович

• Кутуза, Игорь Борисович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Кутуза, Игорь Борисович

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СПЕКТРОМЕТРЫ НА ОСНОВЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ

АКУСТООПТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

1.1 Физические принципы работы акустооптических спектральных устройств

1.2 Принципиальная схема АО фильтра

1.3 Особенности акустооптических спектрометров

1.3.1 АО спектрометры для лабораторных применений

1.3.2 АО спектрометры для мониторинга окружающей среды

ГЛАВА 2 АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ДЛЯ

АКУСТООПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОМЕТРОВ

2.1 Модель работы акустооптического спектрометра и алгоритм измерения

2.2 Влияние реальных факторов на погрешность восстановления

2.2.1 Оценки влияния конечности измеряемой выборки

2.2.2 Оценки влияния шумов

Выводы

ГЛАВА 3 ОЦЕНКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ

КООРДИНАТЫ 62 3.1. Оценка погрешности, связанной с неточностью задания

спектральной координаты

3.2. Определение оптимального шага перестройки по спектру

3.3. Структура и особенности метода измерений

3.4. Спектральная калибровка АО спектрометров

3.5. Спектры, регистрируемые АО спектрометрами

3.5.1 Исследование поликристаллических порошков

3.5.2 Исследования кристаллических структур

3.5.3 Исследования жидких углеводородов

3.5.4 Исследования рассеяния воды природных источников, для моделирования работы подводного АО спектрометра

3.5.5 Исследования биологических объектов

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод восстановления оптических спектров, измеренных акустооптическим спектрометром»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

Оптические спектрометры на основе акустооптических (АО) перестраиваемых фильтров используются и как самостоятельные приборы, и как составные части сложных спектральных систем. Они применяются в научных исследованиях, биологии, медицине, в экспресс-анализах образцов, при контроле технологических процессов, в мониторинге окружающей среды и во многих других областях.

Основная особенность акустооптических спектрометров заключается в том, что дифракционная решетка создается в кристалле динамически бегущей ультразвуковой волной. Спектральная перестройка осуществляется изменением периода решетки при изменении частоты высокочастотного (ВЧ) электрического сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель. Следовательно, время перестройки определяется временем пробега ультразвука по кристаллу и составляет -1СГ5 с. За это время акустооптический спектрометр может быть адресован в любую точку спектра. Это свойство, называемое произвольным спектральным доступом (random spectral access), является уникальным и составляет принципиальное отличие акустооптических спектрометров от классических спектрометров на дифракционных решетках [1].

Благодаря этому свойству акустооптические спектрометры позволяют реализовать произвольный алгоритм обзора спектра объекта в ходе измерения. И это ставит проблему выбора одного (наилучшего) из всего множества возможных алгоритмов [2]. Этой проблемы не существует для классических дифракционных спектрометров: в них можно выбрать лишь начальную (^min) и конечную длину (^тах) волны, шаг перестройки (dX) и время накопления в каждой точке (тассХ либо скорость сканирования (dX/dt).

Указанная проблема была решена [3] для спектров, имеющих линейчатый вид. В этом случае, очевидно, интерес представляет измерение отдельных линий, потому критерий выбора алгоритма спектральной адресации базируется на минимизации времени измерения при заданном уровне точности и достоверности. Этот подход был реализован в виде детерминированной процедуры выбора измеряемых спектральных линий, исходя из требований задачи и априорной информации об объекте, обеспечивая снижение времени спектрального анализа на 1-2 порядка, и был назван фрагментарной спектральной регистрацией (fragmentary spectral registration) [4].

Однако для сплошных спектров, когда необходимо измерить "все" точки спектра, такого очевидного критерия не существует. И проблема выбора алгоритма остается нерешенной. Это является причиной того, что при выборе режима измерения акустооптических спектрометров задаются те же несколько параметров (X^in, XmaX, dX), что и для сканирующих дифракционных спектрометров, и потому не дает возможности использовать в полной мере преимущества, которые есть у АО спектрометров.

Таким образом, актуальной является задача выработки алгоритмов измерений, реализующих особые возможности акустооптических спектрометров.

Выбор определенного алгоритма для сплошных спектров может быть осуществлен на основе свойства, на которое впервые было обращено внимание в статье [5] и которое было доказано в общем виде работе [6]. Оно заключается в нижеследующем. Уравнение измерений оптического спектра АО спектрометром при определенных условиях имеет вид свертки.

где g - измеряемая спектральная функция, к - аппаратная функция акустооптического спектрометра, я - спектрограмма, регистрируемая спектрометром, у - спектральная координата (волновое число, см"1), у^ -волновое число, соответствующее центру окна пропускания акустооптического спектрометра, определяемое частотой ультразвука /.

Если аппаратная функция имеет разностный вид, то уравнение может быть преобразовано в следующий вид

S = GH, (2)

где большими буквами S, G, Н обозначены фурье-образы от функций 5, g, h соответственно. Вышеуказанное свойство [5, 6] заключается в финитности функции Н. Действительно фурье-образ передаточной функции классического акустооптического фильтра Sine (v- V/) представляет собой треугольник (рис.1)

Н(х) =

l-\V)e{xL-\*\),

V ' L J

(3)

где 0 - ступенчатая функция Хевисайда, Sinc(v) = (sin v) / v.

В этом случае уравнение описывает «отрезание» быстро осциллирующих компонент (л; > |x¿|) измеряемой функции g и по сути сглаживание спектрограммы s(v) в результате измерения. В итоге фурье-образ S(jc) спектрограммы также оказывается финитен, а потому к ней применима теорема Котельникова. Это значит, что значение спектрограммы s(v) в любой точке спектра v может быть восстановлено по измерениям этой функции на множестве эквидистантно расположенных точек v,„ -mvd , где

т- целое, у,/= 1/(2Ье$, Ь^ - эффективная длина, связанная с размером носителя функции Н.

Н(х)

- Хс

X

Рис. 1. Фурье-образы аппаратной функции АО спектрометра Н, измеряемой спектральной функции С и регистрируемой прибором спектрограммы 5.

Это обстоятельство и определяет выделенный алгоритм: он заключается в измерении g на множестве точек ут и по результатам измерений спектрограмма 5 может быть восстановлена в любой точке спектра по формуле

где Бт = 5'(ут) - измеренное значение спектрограммы в точке ут .

Практическая реализация этого алгоритма сталкивается с рядом проблем, из которых наиболее важные следующие:

(4)

1) ограничение числа измеряемых точек вследствие

ограниченности спектрального диапазона;

2) неточность адресации акустооптического спектрометра по спектру, связанная с различными причинами (неточностью калибровки, температурным дрейфом спектральной шкалы прибора и т.п.)

Поэтому необходимо решение второй группы проблем: оценка точности восстановления измеряемой спектрограммы Все вышеописанное

позволяет сформулировать цели работы.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является оценка влияния факторов, возникающих при работе акустооптических спектрометров, на точность получения спектральных данных и разработка метода измерений, основанного на предложенном оптимальном алгоритме измерения. В частности, были поставлены и решены следующие задачи.

1. Оценка погрешности, связанной с ограниченностью диапазона измерений.

2. Оценка погрешности, связанной с шумами фотоприемника.

3. Оценка погрешности, связанной с неточностью задания спектральной координаты.

4. Разработка методов минимизации погрешности определения спектральной координаты.

Научная новизна

1. Впервые систематически разработан и обоснован метод измерения оптических спектров с помощью акустооптических спектрометров. Полученные результаты могут быть использованы для любых спектрометров с ограниченным фурье-образом аппаратной функции, способных работать в режиме быстрой произвольной спектральной адресацией.

2. Впервые проанализировано и вычислено влияние на погрешность измерения основных неисключаемых факторов, в том числе неточности адресации по спектру. Количественный учет этих факторов позволяет обосновать оптимальность алгоритмов измерения.

Практическая значимость

Полученные результаты могут быть использованы при разработке алгоритмов управления работой акустооптических спектрометров в различных задачах при измерении разных типов спектров.

Разработанные подходы к обоснованию оптимальности алгоритмов проведения измерений могут быть применены не только к классическим АО спектрометрам, но и к АО спектрометрам изображения. Особенно актуально это будет отражаться в задачах, в которых требуется контроль определения спектральной координаты.

Все полученные результаты направлены на оптимизацию работы акустооптического спектрометра и на повышение достоверности измеряемых данных, гибкости используемых алгоритмов работы, эффективности проведения измерений.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Измерение спектра оптического излучения акустооптическим спектрометром на множестве эквидистантно расположенных точек vm = mvd, (где ус!= 1/(2Ъед) - эффективная длина, определяемая размером носителя фурье-образа аппаратной функции акустооптического спектрометра) позволяет восстановить значение измеряемой спектральной функции в любой точке интервала измерений и исключить области недостоверных значений по краям интервала, размер которых зависит от заданного уровня (3 погрешности Ау ~ (3 1/3

2. При использовании вышеуказанного метода (положение 1) в реальных спектрометрах, эффективная длина Ь^ акустооптического взаимодействия которых может различаться для разных частей светового пучка и разных условий измерения, в качестве Ьед- следует выбирать максимальную длину, что соответствует минимальному шагу перестройки по спектру у(!= 1 /(2-тахЬ^). Шаг перестройки может быть увеличен свыше этой величины только для априори гладких спектров, у которых носитель фурье-образа уже, чем у аппаратной функции акустооптического спектрометра 8ирр С(х) а яирр Н(х).

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения. Диссертация содержит 104 страницы текста, 25 рисунков, 3 таблицы, список литературы из 98 наименований и 20 авторских публикаций.

Содержание работы

Во Введении приведено обоснование актуальности темы исследования, представлено краткое содержание работы, отмечена научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 представлен обзор спектральных акустооптических (АО) приборов и методов измерений, выполняемых с их помощью. Описаны АО спектрометры, которые применялись в данной работе. Приведены сведения из акустооптики, необходимые для понимания работы АО спектрометра и его особенностей. Сформулированы основные цели работы и определены решаемые задачи.

На примере акустооптического спектрометра комбинационного рассеяния показаны особенности процесса измерения. Показано, что существующие методы не в полной мере позволяют реализовать возможности таких спектрометров и что реализация оптимального алгоритма управления спектрометром требует новых подходов. В рамках теоремы Котельникова рассмотрены методы измерения и восстановления спектров с помощью акустооптического спектрометра и обоснован выбор одного из них (оптимального).

Рассмотрены существующие методы спектральной адресации АО спектрометра и его калибровки по спектральной координате. Показана необходимость учета температурной зависимости калибровочной кривой. Сформулированы требования к точности позиционирования по спектральной координате и контролю температуры.

В Главе 2 проводятся расчеты, необходимые для получения оценки точности спектров, измеренных акустооптическим спектрометром. Рассмотрены основные факторы, влияющие на точность восстановления спектрограммы, являются: 1) неполнота (конечность) выборки отсчетов; 2) влияние шумов регистрации; 3) неточность (неравномерность) расположения спектральных точек (случайная или систематическая). Описан оптимальный алгоритм измерения спектра. Следует отметить, что все перечисленные факторы являются принципиально неустранимыми.

В Главе 3 рассмотрена третья составляющая погрешности, относящаяся к спектральной координате. Эта составляющая связана с тем, что реальные точки адресации АО спектрометра могут не совпадать с точками, задаваемыми теоремой Котельникова. Описаны различные факторы, которые имеют место в реальных АО спектрометрах, вызывающие погрешности в спектральной адресации, что отражается в погрешности восстановления спектральной кривой. Рассмотрены влияния этих факторов и приведены результаты оценки влияния для случайных сдвигов и для коррелированных.

С учетом важности точной спектральной адресации для рассматриваемого алгоритма также проведен анализ используемых методов калибровки спектрометра по спектральной координате. Обоснован и описан алгоритм, позволяющий снизить систематическую погрешность калибровки до практически приемлемого уровня.

Проанализированы методы учета температурных зависимостей калибровочных кривых. Предложены алгоритмы контроля.

Обсуждена задача управления мощностью АО сигнала Р~ч2 для обеспечения разностной формы аппаратной функции /г(у, V/) = /г(у- Уу).

С учетом важности точной спектральной адресации для рассматриваемого алгоритма в Главе 3 также проведен анализ используемых методов калибровки спектрометра по спектральной координате. Обоснован и описан алгоритм, позволяющий снизить систематическую погрешность калибровки до практически приемлемого уровня.

Проанализированы методы учета температурных зависимостей калибровочных кривых. Предложены алгоритмы контроля.

л

Обсуждена задача управления мощностью АО сигнала Р~у для обеспечения разностной формы аппаратной функции /г(у, V/) = /г(у- У/).

Приведена схема измерений проводившихся с помощью АО спектрометров комбинационного рассеяния и флуоресценции. Представлены спектры веществ разного типа (кристаллических, аморфных, жидких, биологических), полученных в различных задачах (идентификация образцов, качественный анализ состава, определение динамики распространения веществ в тканях подопытных животных, мониторинг окружающей среды, научные исследования и др.)

Апробация работы

Результаты проведенных исследований были представлены на следующих научных конференциях.

■ XVI European Frequency and Time Forum (EFTF). St. Peterburg, 12-14 March, 2002.

■ European Conferences On Biomedical Optics (ECBO 2003). Munich, Germany, 22-25 June 2003.

■ 2-я Межд. конференция "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP). Суздаль, 25-27 сентября 2007 г.

■ 3-я Межд. конференция "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP-2009). Суздаль, 22-24 сентября 2009 г.

■ V Всероссийская школа по лазерной физике и лазерным технологиям. (Саров, 25-27 апреля, 2011 г.)

■ XVII Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы". Томск, 28 июня - 1 июля 2011 г.

■ XVIII Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы ". Иркутск, 2-5 июля 2012 г.

■ 5-я Межд. конференция "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP-2012). Суздаль, 18-19 сентября 2012 г.

■ 6-я Межд. конференция "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP-2013). Суздаль, 16-17 сентября 2013 г.

ГЛАВА 1. СПЕКТРОМЕТРЫ НА ОСНОВЕ

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ

Поскольку исследуемый в работе метод предназначен для акустооптических спектрометров, в первой главе описаны физические принципы работы АО приборов, их строение и особенности. Описаны АО спектрометры, которые применялись в данной работе. Приведены необходимые сведения из акустооптики, необходимые для понимания работы АО спектрометра и его особенностей.

На примере акустооптического спектрометра комбинационного рассеяния показаны особенности процесса измерения. Показано, что существующие методы не в полной мере позволяют реализовать возможности таких спектрометров и что реализация оптимального алгоритма управления спектрометром требует новых подходов.

Рассмотрены существующие методы спектральной адресации АО спектрометра и его калибровки по спектральной координате. Показана необходимость учета температурной зависимости калибровочной кривой. Сформулированы требования к точности позиционирования по спектральной координате и контролю температуры.

В рамках теоремы Котельникова рассмотрены методы интерпретации данных, полученных на акустооптическом спектрометре, и обоснован выбор одного из них (оптимального).

Сформулированы основные цели работы и определены решаемые задачи.

1.1. Физические принципы работы акустооптических спектральных устройств

Использование акустооптического взаимодействия для построения приборов, осуществляющих спектральную фильтрацию оптического излучения, весьма перспективно. Это взаимодействие позволяет создать принципиально новый класс спектрометров, работающих в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Акустооптические (АО) спектрометры сочетают в себе высокую светосилу и спектральный контраст с высоким быстродействием, малыми размерами фильтра, устойчивостью к вибрации и толчкам, надежной работой. Такие эксплуатационные качества очень привлекательны для создания приборов, способных эффективно работать как в лаборатории, так и в жестких условиях эксплуатации (мобильные лаборатории, самолеты, вертолеты, суда, космические аппараты и т.д.) [7, 8, 9, 10]

Набольший интерес к АО спектрометрам вызван их широкими аналитическими возможностями. Принцип управление АО спектрометрами позволяет реализовывать режим произвольной спектральной адресации, который открывает возможности для разработки различных алгоритмов сканирования, учитывающих особенности сигнала и позволяющий производить измерения адресно по оптическому спектру [5, 14].

Акустооптическое взаимодействие представляет собой дифракцию световой волны на динамической фазовой дифракционной решетке, создаваемой акустической волной. Распространяющаяся в кристалле звуковая волна вызывает за счет упругооптического эффекта периодическое изменение показателя преломления. Этот эффект основан на изменении показателя преломления за счет упругих деформаций. Эффект линеен. Изменение показателя преломления Ап пропорционально деформации

Ап = -0.5рп3Б ,

где р - коэффициент, характеризующий упругооптические свойства материала. В оптическом диапазоне упругооптические коэффициенты практически не зависят от частоты света, а имеют зависимость от направления распространения и поляризации света и звука [15]. Численные значения упругооптических коэффициентов для большинства материалов, используемых в акустооптике, варьируются в пределах р=0.1-0.6, соответственно, относительное изменение показателя преломления Ап/п величиной того же порядка, как и деформации, вызываемые звуковой волной: А n/n ~ 10~4.

Достоинством использования ультразвука для формирования периодической структуры является высокая точность выдерживания периода повторения профиля показателя преломления, а, следовательно, и фазовой структуры по всей ячейке, высокая скорость изменения периода такой структуры и простота такой перестройки [15, 16]. Высокая точность повторения связана со стабильностью частоты ультразвука и однородностью упругой среды. Высокая скорость перестройки связана с высокой скоростью прохождения звуковой волны по кристаллу. Для реализованных фильтров это составляет времена порядка микросекунды.

Спектральная компонента линейно поляризованного входного оптического излучения, соответствующая условию синхронизма, дифрагирует на решетке, изменяя направление своей поляризации на ортогональное [16, 17]. Решетка в комбинации со скрещенными входным и выходным поляризаторами, выделяет из широкополосного светового потока излучение, лежащее в узком спектральном интервале, положение которого определяется периодом дифракционной решетки. В АО фильтре угол падения света сохраняется постоянным, изменение частоты ультразвука в кристалле приводит к сдвигу полосы пропускания фильтра и перестройке фильтра.

Следует отметить, что коллинеарная дифракция в анизотропном кристалле обеспечивает максимальную длину взаимодействия. При такой

геометрии взаимодействия соотношение между волновым числом у прошедшего (отфильтрованного) света и ультразвуковой частотой / определяется формулой

V =/К(пе-П0)\звука)

(1.1)

где пе, п0- показатели преломления необыкновенной и обыкновенной волн, vзвука ~ скорость ультразвуковой волны[5,16].

Если выполняется условие (1.1), то интенсивность дифрагированной компоненты будет определяться следующим выражением

1и = 1.

sin'

г wVmp v'2

л/

к A j

25

(1.2)

где I - длина области взаимодействия, М - акустооптическое качество материала, Ра - мощность акустической волны, 51 - площадь поперечного сечения акустического столба. При этом из выражения (1.2) видно, что эффективность дифракции /у/, может достигать единицы, если

Ра/Б = Х2/2 М12 = 1/2М/У. (1.3)

Выражение (1.3) показывает, что управляя мощностью Ра , можно управлять функцией пропускания акустооптического (АО) фильтра. При разработке алгоритмов управления перестройкой АО фильтра по спектру необходимо учитывать мощность акустической волны для поддержании разностного вида аппаратной функции коллинеарного АО фильтра [5, 16].

1. 2. Принципиальная схема АО фильтра

Физический принцип, описанный в предыдущем разделе, позволяет выделить из широкого спектра достаточно узкий спектральный диапазон оптического излучения. С увеличением длины акустооптического взаимодействия эффективность дифракции возрастает, а окно пропускания становится уже. Коллинеарная дифракция в анизотропном кристалле обеспечивает максимальную длину взаимодействия. Она позволяет создавать АО спектрометры с максимальным спектральным разрешением.

Рисунок 1.1. Принципиальная схема одинарного коллинеарного АО фильтра

Принципиальная схема одинарного коллинеарного АО фильтра приведена на рисунке 1.1. Световой поток, поступающий на входное окно 1 АО фильтра, поляризуется входным поляризатором 2. Пройдя через кристалл 3 с бегущей в нем звуковой волной, спектральная составляющая этого светового потока, соответствующая условию синхронизма (1.1), меняет свою поляризацию на ортогональную, проходит через выходной анализатор 4 и детектируется фотоприемником. Все остальные компоненты светового потока будут отрезаны выходным анализатором 4 [16, 18] .

Связь волнового числа, соответствующего положению центра окна пропускания АО фильтра, и частоты высокочастотного сигнала, подаваемого на коллинеарный АО фильтр, следует из условия синхронизма для дифракции вперед

V = с//((пе-п0)\звука),

где / - частота звука, пе , п0 - показатели преломления необыкновенной и обыкновенной волн, \звука - скорость ультразвуковой волны, с - скорость света.

В приближении плоских волн, взяв за критерий ослабление дифрагированной волны в два раза, можно вычислить полосу пропускания коллинеарного АО фильтра, которая связана с рассогласованием волновых векторов, обусловленным конечными размерами длины области взаимодействия I [16, 19].

лл ОМ2_

" 1((пе-п0)-Ад(пе-п0)/дА)

Таким образом, при увеличении области взаимодействия увеличивается спектральное разрешение АО фильтра. Бесконечно длинным АО фильтр сделать нельзя, так как, во-первых, при большой длине световая и акустическая волны перестают быть плоскими, а, во-вторых, сильно начинают проявляться процессы затухания акустической волны в кристалле. В безразмерных величинах процесс измерения можно записать в виде

■*Он)= \кхп-у,у)с(у)(1у,

где х=(£1 - 0,с)/0.с, _у=(у - ус)/ус - безразмерные частоты звука и света; 0.с, ус = ун (Ос) - частоты, соответствующие середине диапазона измерений; я -измеренный сигнал, с - сигнал на входе фильтра. Вид аппаратной функции АО фильтра определяется выражением [5]:

О^у^Шрт, (1 +

где ^ = х - у, параметр р ~ Ря|/21 определяет эффективность АО фильтра в центре диапазона измерения, Ра - мощность звука, Ь - длина области взаимодействия, параметр р = Пс//2(Зу ~ 104 пропорционален числу периодов звуковой дифракционной решетки.

В работе [5] показано, что фурье-образ аппаратной функции ограничен и имеет вид

Н(х) =

1-1 / v А

(3)

В этом случае уравнение описывает «отрезание» быстроосциллирующих компонент (х > измеряемой функции g и по сути сглаживание спектрограммы s(v) в результате измерения. В итоге фурье-образ S(x) спектрограммы также оказывается финитен, а потому к ней применима теорема Котельникова. Это значит, что значение спектрограммы s(v) в любой точке спектра у может быть определено по измерениям этой функции на множестве эквидистантно расположенных точек у„, = mvd , где т- целое, vd=l/(2Ье#), Leff - эффективная длина, связанная с размером носителя xL функции Н.

Это обстоятельство и определяет выделенный алгоритм: он заключается в измерении g на множестве точек vm и по результатам

измерений спектрограмма 5 может быть определена в любой точке спектра по формуле

( ( / ^

X ЗЫс к Уу ~т ' (4)

т=-- V V/ У<1 ))

где Бт = 5(уш) - измеренное значение спектрограммы в точке ут .

Практическая реализация этого алгоритма сталкивается с рядом проблем, из которых наиболее важные следующие:

1) ограничение числа измеряемых точек вследствие ограниченности спектрального диапазона;

2) неточность адресации акустооптического спектрометра по спектру, связанная с различными причинами (неточностью калибровки, температурным дрейфом спектральной шкалы прибора и т.п.)

Поэтому необходимо решение второй группы проблем: оценка точности определения измеряемой спектрограммы $(у). Все вышеописанное позволяет сформулировать цели работы.

Целью диссертационной работы является оценка влияния факторов, возникающих при работе акустооптических спектрометров, на точность получения спектральных данных и разработка метода измерений, основанного на предложенном оптимальном алгоритме измерения. В частности, были поставлены и решены следующие задачи.

5. Оценка погрешности, связанной с ограниченностью диапазона измерений.

6. Оценка погрешности, связанной с шумами фотоприемника.

7. Оценка погрешности, связанной с неточностью задания спектральной координаты.

8. Разработка методов минимизации погрешности определения спектральной координаты.

1.3. Особенности акустооптических спектрометров

1.3.1. АО спектрометры для лабораторных применений

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кутуза, Игорь Борисович, 2013 год

Литература

1. Shipp W.S., Biggins J., Wade C.W. Performance characteristics of an electronically tunable AOF for fast scanning spectrophotometry // Rev. Sci. Instr., 1976, v.47, N 5, p.565-569.

2. Пожар В.Э., Пустовойт В.И. Об оптимальном алгоритме спектрального химического анализа с помощью акустооптических спектрометров // Электромагнитные волны и электронные системы, 1997, т.2, N 4, с.26-30.

3. A.V. Fadeyev, V.E. Pozhar. Optimization of measuring and calibration procedures for gas analyser based on acousto-optical tunable filters // Optical Measurement Systems for Industrial Inspection VII, P.H.Lehmann, W.Osten, K.Gastinger, Eds. Proc. SPIE, 2011, v. 8082, 808242.

4. A.V. Fadeyev, V.E. Pozhar. Application of independent component analysis method in realtime spectral analysis of gaseous mixtures for acousto-optical spectrometers based on differential optical absorption spectroscopy // Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems XV, K.Stein, J.Gonglewski, Eds. Proc. SPIE, 2012, v. 8535, 85350C.

5. Ананьев Е.Г., Пожар В.Э., Пустовойт В.И. Акустооптические методы измерения спектров оптического излучения // Оптика и спектроскопия, 1987. Т. 62. С. 159-165.

6. Пожар В.Э., Пустовойт В.И. Общие свойства аппаратных функций акустооптических спектрометров // Доклады академии наук, 2006, Т. 406, №1, С.40-43.

7. М.М.Мазур, В.Э.Пожар, В.Н.Шорин. Журнал аналитической химии, 1998, т.53, №9, с.996-998. Спектрально-оптические газоанализаторы на основе акустооптических фильтров для контроля содержания примесей в воздухе.

8. М.М.Мазур, Г.Л.Чугаев, В.Н.Шорин, В.Э.Пожар, З.А.Магомедов, В.А.Сазонов, В.А.Попов, Г.И.Донцов, С.А. Леонов. Патент на промышленный образец 44,427 (1996). Лаборатория передвижная для контроля газовых примесей в воздухе рабочей зоны и газового состава в газоходах

9. V.E.Pozhar, V.I.Pustovoit. "Long-path optical spectral AOTF-based gas analyzer". Environmental and Industrial Sensors ". Instrumentation for Air Pollution and Global Atmospheric Monitoring, J.O.Jensen, R.L.Spellicy, Ed. Proc.SPIE, 2001, v.4574, p. 174-178.

10. Herbert J. Kramer Observation of the Earth and Its Environment: Survey of Missions and Sensors, Berlin: Springer

11. М.М.Мазур и др. Двойной акустооптический монохроматор на СаМо04 // Оптика и спектроскопия, 1989, т.67, в.З.

12. В.Э.Пожар, Н.В.Лопухов. Алгоритмы коррекции аппаратных искажений спектров, регистрируемых акустооптическими спектрометрами. Электромагнитные волны и электронные системы, т. 10, в.8.

13. В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт, М.М.Мазур, В.Н.Шорин. Двойной акустооптический монохроматор. Патент РФ, № 2 242 779 от 20.12.2004

14. В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт. Акустооптические спектрометры //XIV Межд. Конф. по гиромагнитной электронике и электродинамике, секц. Спин-электроника. (Москва, Фирсановка, 13-16.11.1998). Труды конф., т.2., с.346-364.

15. Левин В.М., Маев Р.Г., Проклов В.В. Свет и звук: взаимодействие в среде. «Новое в жизни, науке и технике». Серия Физика, Москва, «Знание», 1981, No5.

16. В.И.Балакший, В.Н.Парыгин, Л.Е.Чирков. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985. 280 с.

17. I.C.Chang. Handbook of optics, ed. M.Bass. McGrow-Hill, 1995. Chap. 12. AO devices and applications.

18. Т.Г.Вискун, М.М.Мазур, В.И.Пустовойт и др. Авт. свид. 1406554, 1988. Коллинеарный акустооптический фильтр.

19. В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт. Акустооптические спектрометры //XIV Межд. Конф. по гиромагнитной электронике и электродинамике, секц. Спин-электроника. (Москва, Фирсановка, 13-16.11.1998). Труды конф., т.2., с.346-364.

20. Л.Н.Магдич, В.Я.Молчанов. АО устройства и их применение. М., Акустооптические устройства и их применение. 1978, 112 с.

21. V.E.Pozhar, V.I.Pustovoit. "Concept of acousto-optical spectrometers arrangement". International Forum on Wave Electronics and Its Applications (St.Peterburg, 2000)

22. М.М.Мазур, В.Э.Пожар, В.Н.Шорин, З.А.Магомедов. Патент РФ 2095788, 1996. Газоанализатор

23. Ch.V.Gazarov, V.E.Pozhar, V.N.Zhogun. Optical monitoring of the Envirionment: CIS Selected Papers, Proc. SPŒ, N. N. Belov, E. I. Akopov, Editors 1993, v.2107, p. 143-147. Acousto-optical spectrometer for air pollution monitoring

24. В.Н.Жогун, В.И.Пустовойт, А.В.Тябликов. Электронная промышленность, сер.З, Микроэлектроника, 1990, в.2(136), с.59-67. Разработка на основе акустооптического спектрометра метода эталонирования качества процессов размерного травления

25. Аскеров H.A., Жогун В.Н., Пустовойт В.И. Дистанционное зондирование природных объектов с помощью акустооптических спектрометров. В кн.: «Акустооптические, акустические и рентгеноспектральные методы и средства измерений в науке и технике», Труды ВНИИФТРИ, 2005, в.48 (140), с.97-106

26. В.Э.Пожар. Спектральный оптический метод измерения крепости спиртосодержащих растворов. В кн.: «Акустооптические, акустические и рентгеноспектральные методы и средства измерений в науке и технике», ВНИИФТРИ, 2005, с.75-80.

27. Епихин В.M., Каллиников Ю.К., Рокос И.А. Двойные акустооптические монохроматоры ультрафиолетового излучения на монокристаллах кварца и д и гидрофосфата калия с улучшенными оптическими параметрами. Труды ВНИИФТРИ, в. 48 (140), с.127-137, Москва,2005

28. М.М. Мазур, В.Э. Пожар, В.И.Пустовойт, В.Н.Шорин. Двойные акустооптические монохроматоры. Успехи современной радиоэлектроники. №10, с 19-30, 2006.

29. М.М. Мазур Критерий одинаковости АО ячеек для двойных монохроматоров. Сб. научных трудов ВНИИФТРИ М, 2005, с.48-52

30. С.Н.Королев, A.A.Кучерявый, В.А.Мироненко, В.С.Суэтин. Исследование Земли из космоса, 1992, в.4, с.32. Опыт испытательной аппаратуры «Трассер» для наблюдения океана из космоса.

31. В.И. Пустовойт, Е.А. Отливанчик, В.Э. Пожар, A.B. Перчик, М.М. Мазур, В.Н. Шорин. Акустооптические приборы для мониторинга вод Мирового океана. Электромагнитные волны и электронные системы, 2011, №10, с. 57-63

32. М.М. Мазур, В.Н. Шорин, В.И. Пустовойт, В.Э. Пожар, A.B. Фадеев. Газоаналитический акустооптический спектрометр. Приборы и техника эксперимента, 2011, т.54, №2, с.140-146.

33. V.I.Pustovoit , V.E.Pozhar. Long-path optical spectral AOTF-based gas analyzer. In "Instrumentation for Air Pollution and Global Atmospheric Monitoring", J.O.Jensen, R.L.Spellicy, Eds. Proc. SPIE, v.4574, p. 174-178, 2001.

34. Патент № 2095788 на изобретение «Газоанализатор» Мазур M.M., Шорин В.Н., Пожар В.Э., Магомедов З.А. Приоритет от 9 января 1996 г.

35. Свидетельство № 4380 на полезную модель «Установка контроля газовых примесей». Мазур М.М., Шорин В.Н., Пожар В.Э., Магомедов З.А. ,Жогун В.Н., Газаров Х.В., Визен Ф.Л., и Леонов С.А. Приоритет полезной модели 17 июля 1996 г

36. V.E.Pozhar, V.I.Pustovoit. Concept of acousto-optical spectrometers arrangement // International Forum on Wave Electronics and Its Applications (St.Peterburg, 2000).

37. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике // М.: Изд. «МИР», 1971. - 495 с.

38. Бутиков Е.И. Оптика //М.: Высш. шк., 1986, 512 с.

39. Котельников В. А. О пропускной способности «эфира» и проволоки в электросвязи // Успехи физических наук, 2006, № 7, С. 762-770.

40. Басараб М. А., Зелкин Е. Г., Кравченко В. Ф., Яковлев В. П. Цифровая обработка сигналов на основе теоремы Уиттекера-Котельникова-Шеннона. — М.: Радиотехника, 2004.

41. Хургин Я.И., Яковлев В.П. Финитные функции в физике и технике // М.: Наука, 1971, 408 с.

42. Цыбаков Б.С., Яковлев В.П. О точности восстановления функций с помощью конечного числа членов ряда Котельникова // Радиотехника и электроника, 1959, IV, вып.З.

43. Ахиезер Н.И. Лекции по теории аппроксимации // Наука, 1965.

44. Стюард И.Г. Введение в фурье-оптику // Пер. с англ. - М: Мир, 1985, 182 с.

45. Сущинский М.М. Комбинационное рассеяние света и строение вещества //М: Наука, 1981, 183 с.

46. Брандмюллер И.,Мозер Г. Введение в спектроскопию комбинационного рассеяния света: Пер. с нем. // М., Мир, 1964 г., 628 с

47. М.М.Мазур, В.Н.Шорин, В.Н.Жогун и др. Акустооптический Рамановский спектрометр.// Труды ВНИИФТРИ Акустооптические, акустические и рентгено-спектральиые методы и средства измерений в науке и технике В.-48(140).-2005.-С. 1626

48. Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель И. Н.,Вакуумные фотоэлектронные приборы // 2 изд., М., 1988

49. Bijun Yang, Michael D. Morris, Harry Owen Holographie Notch Filter for Low-Wavenumber Stokes and Anti-Stokes Raman Spectroscopy // Applied Spectroscopy, Vol. 45, Issue 9, pp. 1533-1536(1991)

50. Harry Owen Holographic optical components for laser spectroscopy applications // Proc. SPDE, v. 1732, p.324, 1993

51. 1. J. Lessmann, W. de W. Horrocks, Inorg. Chem. 39 (2000) 3114

52. P. Porcher, M. Dos Santos, О. Malta, Phys. Chem. Chem. Phys. 1 (1999) 397

53. Сущинский М.М. Спектры комбинационного рассеяния молекул и кристаллов // Изд. "Наука",1969, 576 с.

54. Орлов Ю.Л. Минералогия алмаза// М.: Наука, 1984, 170с.

55. Орлов Р.Ю., Успенская M. Е., Гусева Е. В., Применение метода комбинационного рассеяния света в минералогии : [Учеб. пособие] // М. Изд-во МГУ 1985112 с.

56. К. Nassau. Raman spectroscopy as a gemston test. J. Gemmol, 1982. vol. XVII, N5, p. 306320

57. Бокий Г.Б.,. Безруков Г.H, Клюев Ю.А. Природные и синтетические алмазы // М.: Наука, 1986, 220с.

58. Соболев Е.В. Тверже алмаза // Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989, 192 с

59. Соболев Е.В., Литвин Ю.А., Самсоненко Н.Д., Ильин В.Е., Ленская С.В., Бутузов В.П. О состоянии примесного азота в искусственном алмазе // ФТТ. 1968. Т. 10. Вып.7. С. 2266-2268.

60. Соболев Е.В., Азотные центры и рост кристаллов природного алмаза // Проблемы петрологии земной коры и верхней мантии. Новосибирск: Наука, 1978. С. 245-255.

61. Evans Т. Aggregation of nitrogen in diamond//The properties of natural and synthetic diamond/J.E. Field (ed). London, Acad. Press, 1992, p. 259-290.

62. Sobolev E.V., Bilenko Yu.M. Ia and Iia types among the eclogitic specimens of microcrystals and in the growth zones of natural diamonds // XI General Meeting of International Mineralogical Association, V. II.Novosibirsk, 1978, p. 17

63. Evans Т., Qi Z. The kinetics of aggregation of nitrogen atoms in diamonds // Proc. Roy. Soc. London, 1982, A381, p. 238.242.

64. Щербакова М.Я., Соболев E.B., Надолинный В.А.//ЖСХ. 1978. Т. 19, № 2. С. 305-312.

65. Поляков В.П., Ножкина А.В., Чириков Н.В., Алмазы и свертвердые материалы // М., 1990.

66. Бакуль В.И. Синтетические алмазы в промышленности.// Киев:Наукова думка, 1974, 167с.

67. Горобец Б.С., Рогожин А.А. Спектры люминесценции минералов //Москва: ВИМС им. Н.М. Федоровского, 2001. - 316 с.

68. Стерин Х.Е., Алексанян В.Т., Жижин Г.Н. Каталог спектров комбинационного рассеяния углеводородов // Москва: Наука, 1976, 360 с

69. Schrader Berhard Raman/Infrared atlas of organic compounds 2nd ed. // Weinheim:VCH-Verl.-Ges., 1989

70. Купцов A.X., Жижин Г.Н. Фурье-спектры комбинационного рассеяния и инфракрасного поглощения полимеров, М.: Физматлит, 2001. - 656 с.

71.Бейко О.А., Головко А.К. и др. Химический состав нефтей Западной Сибири// Новосибирск, Наука, 1988, 288 с.

72. Добрянский А.Ф. Химия нефти // Ленинград: Гостоптехиздат, Ленинградское отделение, 1961, 224 с.

73. Карабашев Г.С. Флюоресценция в океане. // Ленинград: Гидрометеоиздат, 1987, 200 с.

74. Карабашев Г.С., О концентрационной зависимости флуоресценции хлорофилла в водах океана разной трофности //ОКЕАНОЛОГИЯ, 1998, т. 38, № 3, 381-386

75. Карабашев Г.С. О типах и характеристиках вертикального распределения интенсивности флуоресценции пигментов фитопланктона в деятельном слое океана. // ОКЕАНОЛОГИЯ, 1979, т. 19, вып.2, с. 468-475.

76. Карабашев Г.С., А.И. Агатова. 1984. О соотношении интенсивности флуоресценции и концентрации растворенных органических веществ в водах океана. //ОКЕАНОЛОГИЯ, т.24, вып.6, 906-909.

77. Прингсхейм П., Фогель М. Люминесценция жидких и твердых тел и ее практическое применение // М. ГИИЛ. 1948. 265 с.

78. Саловарова В.П., Приставка А.А., Берсенева О.А. Введение в биохимическую экологию // Иркутск: Изд-во ИркГУ, 2007, 159 с.

Список публикаций по теме диссертации

А-1. I. В. Kutuza, V. Е. Pozhar, V. I. Pustovoit. Raman Acousto-Optical Spectrometer testing. XVI European Frequency and Time Forum (EFTF). Preliminary program and Abstracts, (St.Peterburg, 12-14 March, 2002), p.199.

A-2. Григорянц В.В., Кутуза И.Б., Пожар В.Э., Пустовойт В.И., Румянцева В.Д., Шилов И.П. Акустооптический видеоспектрометр для ранней диагностики рака. Труды XXIX международную конференцию «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе» (Гурзуф, Украина, 20-30 мая 2002), с.183-184.

А-3. И.Б.Кутуза, Л.Н.Пунтус, В.Ф.Золин, В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт. Определение параметров кристаллического поля иона Европия по спектрам люминесценции, полученным с помощью акустооптического спектрометра. Журн. прикл. спектроскопии, 2003, т.60, в.6, с.774-778.

А-4. Kutuza I.B., Pozhar V.E., Pustovoit V.I., Puntus Z.N., Zolin V.F. Determination of parameters of the Europium ion crystal field by the luminescence spectra obtained by means of an acousto-optical spectrometer. Journal of Applied Spectroscopy. 2003, v.70, No. 6, p. 875-879.

A-5. I.B.Kutuza, V.E.Pozhar, V.I.Pustovoit. Experience of acousto-optic spectrometer application in Raman spectroscopy. Abstr. Int. conf. "Spectroscopy in special applications " (Kyiv, June 18 -21, 2003), p. 173.

A-6. I.B.Kutuza, V.E.Pozhar, V.I.Pustovoit. AOTF-based Imaging Spectrometers for Research of Small-Size Biological Objects. In "Novel Optical Instrumentation for Biomedical Applications", A.-C.Boccara, Ed. Proc. SPIE, v.5143, p. 165-169, 2003.

A-7. В.Э.Пожар, В.И.Пустовойт, И.Б.Кутуза, А.В.Перчик, В.В.Григорьянц. Перспективы использования акустооптического видеоспектрометра для задач

фотолюминесцентной диагностики. Альманах клинической медицины, t.XII, М.: 2006, с.28.

А-8. В.И.Пустовойт, В.Э.Пожар, Е.А.Отливанчик, С.В.Боритко, А.В.Перчик, В.А.Суворов, Г.Н.Шкроб, В.В.Твердое, И.Б.Кутуза, А.Е.Отливанчик, В.Н.Шорин, М.М.Мазур, В.Н.Жогун. Современные средства и методы акустооптической спектрометрии. Успехи современной радиоэлектроники, 2007, в.8, с.48-56.

А-9. В.Э. Пожар, A.B. Перчик, В.Н. Шорин, C.B. Боритко, И.Б. Кутуза. Спектрометрический стенд на основе акустооптических монохроматоров для задач фотолюминесцентной спектроскопии. Труды 2-й Межд. конференции "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (Суздаль, 25-27 сентября 2007), с. 112-116.

А-10. В.Э. Пожар, C.B. Боритко, И.Б. Кутуза, A.B. Перчик, В.Н. Шорин. Стенд для отработки методов и средств флуоресцентной диагностики рака. Альманах клинической медицины, 2008, т. 17, ч.2, с. 123.

А-11. И.Б. Кутуза, A.B. Перчик, В.Э. Пожар, В.И. Пустовойт, В.Н. Шорин, C.B. Боритко, Б.В. Никифоров. Развитие методов акустооптической спектрометрии для медицины. 3-я Международная конференция "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP-2009, Суздаль, 22-24 сентября 2009 года), с.236-239.

А-12. Кутуза И.Б, В.Пожар. Особенности применения Акустооптических спектрометров в минералогии. 3-я Международная конференция "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP-2009, Суздаль, 22-24 сентября 2009 года), с.239-244.

А-13. Кутуза И.Б., Пожар В.Э., Шерстобитов И.В. Применение лазерно-индуцированной флуоресценции для диагностики радиационных дефектов алмазов. V Всероссийская школа по лазерной физике и лазерным технологиям (Саров, 25-27 апреля, 2011 г.), с.195-198.

А-14. Кутуза И.Б., Пожар В.Э., Перчик A.B., Отливанчик Е.А., Пустовойт В.И., Мазур М.М., Шорин В.В. Разработка подводных измерительных спектрометрических комплексов на основе перестраиваемых акустооптических фильтров. XVII Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (28 июня-1 июля, 2011 г., Томск), с.В-217-220.

А-15. Кутуза И.Б., Пожар В.Э., Пустовойт В.И., Отливанчик Е.А. Исследование природных водоемов методами акустооптической спектрометрии. XVIII

Международный симпозиум "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы " (Иркутск, 2-5 июля 2012 г.)

А-16. И.Б. Кутуза, В.Э. Пожар, А.П. Цапенко, A.B. Шурыгин. Отработка методов измерений спектров комбинационного рассеяния жидких углеводородов с помощью акустооптических спектрометров. 5-я Международная конференция "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP-2012, Суздаль, 18-19 сентября 2012 г.)

А-17. И.Б. Кутуза, В.Э. Пожар, А.П. Цапенко, A.B. Шурыгин. Создание базы данных спектров комбинационного рассеяния для акустооптических спектрометров. II Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике, (Москва, 23-25 января 2013 г.), Сборник научных трудов, с.246-247.

А-18. Кутуза И.Б., Пожар В.Э., Шурыгин A.B., Фадеев A.B. Разработка средств системы измерения, обработки и хранения спектров комбинационного рассеяния. 6-я Международная конференция "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP-2013, Суздаль, 16-17 сентября 2013 г.)

А-19. Кутуза И.Б., Пожар В.Э., Пустовойт В.И. Определение физических свойств алмазов с использованием акустооптических спектрометров. 6-я Международная конференция "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP-2013, Суздаль, 16-17 сентября 2013 г.)

А-20. И.Б. Кутуза, В.Э. Пожар. Алгоритм измерения гладких спектров с помощью акустооптических спектрометров. Физические основы приборостроения, 2013, т.2, №4, с.82-87.