Спектральные приборы 4. Многоканальные С. п. с селективной модуляцией

Большая Советская Энциклопедия. Статьи для написания рефератов, курсовых работ, научные статьи, биографии, очерки, аннотации, описания.


А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я 1 2 3 4 8 A L M P S T X
СI СА СБ СВ СГ СД СЕ СЁ СЖ СИ СК СЛ СМ СН СО СП СР СС СТ СУ СФ СХ СЦ СЧ СШ СЪ СЫ СЬ СЭ СЮ СЯ
СПА
СПЕ
СПЁ
СПИ
СПЛ
СПО
СПР
СПУ
СПЯ

4. Многоканальные Спектральные приборы с селективной модуляцией

  Для данной группы Спектральные приборы характерна одновременная селективная модуляция (кодирование) дискретного или непрерывного ряда длин волн, воспринимаемых одним фотоэлектрическим приёмником, и последующее декодирование электрических сигналов. Наибольшее распространение получили два типа приборов этой группы.

В адамар-спектрометрах осуществляется кодирование дискретного ряда l; общая схема подобна приведённой на рис. 4, но сканирование здесь не применяется, щели в монохроматоре заменены на циклически сменяемые многощелевые растры специальной конструкции (маски-матрицы Адамара). Сигналы приёмника декодируются специальным устройством, дающим на выходе дискретный спектр исследуемого излучения, состоящий из ~ 100 точек-отсчётов. Адамар-спектрометры дают выигрыш в потоке и быстродействии и эффективно применяются, например, для экспресс-анализа выхлопных газов двигателей по их ИК-спектрам.

В фурье-спектрометрах осуществляется непрерывное кодирование длин волн с помощью интерференционной модуляции, возникающей в двухлучевом интерферометре при изменении (сканировании) оптической разности хода. Приёмник излучения на выходе интерферометра даёт во времени сигнал — интерферограмму, которая для получения искомого спектра подвергается Фурье-преобразованию на ЭВМ. Фурье-спектрометры наиболее эффективны для исследований протяжённых спектров слабых излучений в ИК-области, а также для решения задач сверхвысокого разрешения. Конструкции и характеристики приборов этого типа очень разнообразны: от больших уникальных лабораторных установок с оптической разностью хода 2 м (R» 106) до компактных ракетных и спутниковых спектрометров, предназначенных для метеорологических и геофизических исследований, изучения спектров планет и т. д. Для фурье-спектрометров соотношение (1) имеет вид: .

Отметим ещё раз принципиальное различие рассмотренных групп приборов: в одноканальных приборах 1 и 3 групп время эксперимента затрачивается на накопление информации о новых участках спектра; в приборах 2 группы — на накопление отношения сигнала к шуму, а в приборах 4 группы — на накопление структурных деталей в данном спектральном диапазоне (рис. 9).

Рис. 9. ИК-спектры поглощения паров воды на участке 200—250 см, полученные с помощью фурье-спектрометра при различных оптических разностях хода <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>D</span> в интерферометре. Чем больше <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>D</span> (т. е. чем больше затрачено времени на сканирование по <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>D</span>), тем больше деталей можно выявить в исследуемом участке спектра. При <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>D</span>= 4 см спектральное разрешение <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>dl</span>=2/<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>D</span>=0,5 см<sup><span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>-</span>1</sup>. Спектральные приборы.

Рис. 9. ИК-спектры поглощения паров воды на участке 200—250 см, полученные с помощью фурье-спектрометра при различных оптических разностях хода D в интерферометре. Чем больше D (т. е. чем больше затрачено времени на сканирование по D), тем больше деталей можно выявить в исследуемом участке спектра. При D= 4 см спектральное разрешение dl=2/D=0,5 см-1.

 

  Лит.: Пейсахсон И. В., Оптика спектральных приборов, Л., 1970; Тарасов К. И., Спектральные приборы, Л., 1968; Заидель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И., Техника и практика спектроскопии, М., 1972; Оптико-механические приборы, М., 1965; Якушенков Ю. Г. , Основы теории и расчета оптико-электронных приборов, М., 1971; Мерц Л., Интегральные преобразования в оптике, пер. с англ., М., 1969; Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения. Сб., М., 1972; Кардона М., Модуляционная спектроскопия, пер. с англ., М., 1972.

  В. А. Никитин.

Спектральные приборы, приборы для исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом диапазоне (10-3—103мкм; см. Спектры оптические), нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа. С. п. различаются методами спектрометрии, приёмниками излучения, исследуемым (рабочим) диапазоном длин волн и др. характеристиками.

  Принцип действия большинства С. п. можно пояснить с помощью имитатора, изображенного на рис. 1. Форма отверстия в равномерно освещенном экране 1 соответствует функции f(l), описывающей исследуемый спектр — распределение энергии излучения по длинам волн l. Отверстие в экране 2 соответствует функции а(ll'), описывающей способность С. п. выделять из светового потока узкие участки dl в окрестности каждой l. Эту важнейшую характеристику С. п. называют функцией пропускания, или аппаратной функцией (АФ). Процесс измерения спектра f(l) прибором с АФ а(ll’) можно имитировать, регистрируя изменения светового потока, проходящего через отверстие, при перемещении (сканировании) экрана 2 относительно экрана 1. Очевидно, чем меньше ширина АФ, тем точнее будет измерена форма контура спектра f(l), тем более тонкая структура может быть в нём обнаружена.

Рис. 1. Результат измерений <i>F</i>(<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span>) исследуемого спектра <i>f</i>(<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span>) прибором с аппаратной функцией <i>а</i>(<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span><span style='layout-grid-mode:line'>—</span><span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span>') описывается интегралом, называемым свёрткой функции <i>f</i> с функцией <i>а</i>. Процесс свёртки можно имитировать изменением площади отверстия при относительном перемещении (сканировании) экранов 1 и 2. Чем меньше ширина <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>dl</span> функции <i>а</i>(<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span><span style='layout-grid-mode:line'>—</span><span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span>'), тем точнее прибор передаёт истинный контур <i>f</i>(<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span>). Тождество <i>F</i>(<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span>)<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>º</span><i>f</i>(<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span>) достигается лишь при бесконечно узкой аппаратной функции (<span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>dl®</span>0). Спектральные приборы.

Рис. 1. Результат измерений F(l) исследуемого спектра f(l) прибором с аппаратной функцией а(ll') описывается интегралом, называемым свёрткой функции f с функцией а. Процесс свёртки можно имитировать изменением площади отверстия при относительном перемещении (сканировании) экранов 1 и 2. Чем меньше ширина dl функции а(ll'), тем точнее прибор передаёт истинный контур f(l). Тождество F(l)ºf(l) достигается лишь при бесконечно узкой аппаратной функции (dl®0).

  Ширина АФ наряду с рабочим диапазоном l является основной характеристикой С. п.; она определяет спектральное разрешение dl и спектральную разрешающую способность R =l/dl. Чем шире АФ, тем хуже разрешение (и меньше R), но больше поток излучения, пропускаемый прибором, т. е. больше оптический сигнал и М — отношение сигнала к шуму. Шумы (случайные помехи), неизбежные в любых измерительных устройствах, в общем случае пропорциональны  (Dfполоса пропускания приёмного устройства). Чем шире Df, тем выше быстродействие прибора и меньше время измерения, но больше шумы (меньше M). Взаимосвязь величин R, М, (f определяется соотношением:

  . (1)

  Показатели степени a и b принимают различные положительные значения в зависимости от конкретного типа С. п. Константа К, зависящая только от l, определяется конструктивными параметрами данного типа С. п. и накладывает ограничения на величины R, М,Df. Кроме того, возможные значения R ограничиваются дифракцией света, аберрациями оптических систем, а значения Df — инерционностью приёмно-регистрирующей части С. п.

  Рассмотренный с помощью рис. 1 принцип действия С. п. относится к одноканальным методам спектрометрии. Наряду с ними широко распространены многоканальные методы, в которых сканирование не применяется и излучения различных l регистрируются одновременно. Это соответствует наложению на экран 1 неподвижного экрана с вырезанными N контурами АФ для разных l при независимой регистрации потоков от каждого отверстия (канала).

  Общая классификация методов спектрометрии, являющихся основой различных схем и конструкций С. п., представлена на рис. 2. Классификация дана по двум основным признакам — числу каналов и физическим методам выделения l в пространстве или времени. Исторически первыми и наиболее распространёнными являются методы пространственного разделения l (селективной фильтрации), которые называются «классическими» (группы 1 и 2 на рис. 2). В одноканальных С. п. (группа 1) исследуемый поток со спектром f(() посылается на спектрально-селективный фильтр, который выделяет из потока некоторые интервалы dl в окрестности каждой l‘ и может перестраиваться (непрерывно или дискретно), осуществляя сканирование спектра во времени по некоторому закону l’(t) . Выделенные компоненты dl посылаются на приёмник излучения, запись сигналов которого даёт функцию времени F(t). Переход от аргумента t к аргументу l даёт функцию F(l) наблюдаемый спектр.

Рис. 2. Классификация методов спектрометрии по способам разделения длин волн. Контуры шириной <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>dl</span> символически изображают аппаратные функции (АФ). В «классических» методах (1 и 2) эти контуры описывают способность прибора пространственно разделять длины волн. В «новых» методах (3 и 4) АФ описывают способность прибора электрически разделять длины волн, кодированные различным образом в оптической части. В одноканальных методах (1 и 3) применяется сканирование (символ <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>®</span>), в многоканальных (2 и 4 ) сканирование отсутствует, и измерение интенсивностей излучения ряда длин волн <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span>', <span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span>'',<span style='layout-grid-mode:line'></span><span style='font-family:Symbol;layout-grid-mode:line'>l</span>''',... производится одновременно. Внутри каждой группы указаны краткие названия основных типов спектральных приборов, относящихся к данной группе. Спектральные приборы.

Рис. 2. Классификация методов спектрометрии по способам разделения длин волн. Контуры шириной dl символически изображают аппаратные функции (АФ). В «классических» методах (1 и 2) эти контуры описывают способность прибора пространственно разделять длины волн. В «новых» методах (3 и 4) АФ описывают способность прибора электрически разделять длины волн, кодированные различным образом в оптической части. В одноканальных методах (1 и 3) применяется сканирование (символ ®), в многоканальных (2 и 4 ) сканирование отсутствует, и измерение интенсивностей излучения ряда длин волн l', l'',l''',... производится одновременно. Внутри каждой группы указаны краткие названия основных типов спектральных приборов, относящихся к данной группе.

  В многоканальных С. п. (группа 2) информация об исследуемом спектре получается путём одновременной регистрации (без сканирования по l) несколлькими приёмниками потоков излучения разных длин волн (l’, l’’, l’’’, ...). Последние выделяют, например, набором узкополосных фильтров или многощелевыми монохроматорами (полихроматорами). Если расстояние между каналами не превышает dl и число каналов N достаточно велико, то получаемая информация аналогична содержащейся в записи спектра на сканирующем одноканальном приборе (при тех же dl, одинаковых приёмниках и пр. равных условиях), но время измерения может быть сокращено в N раз. Наибольшая многоканальность достигается применением многоэлементных фотоэлектрич. приёмников излучения и фотографических материалов (в спектрографах).

  Принципиальной основой «новых» методов (группы 3 и 4 на рис. 2), получивших развитие с середины 60-х гг., является селективная модуляция, при которой функция разделения l переносится из оптической в электрическую часть прибора.

  В простейшем одноканальном приборе группы 3 исследуемый поток со спектром f(l) посылается на спектрально-селективный модулятор, способный модулировать некоторой частотой fo = const лишь интервал dl в окрестности l, оставляя остальной поток немодулированным. Сканирование l’(t) производится перестройкой модулятора таким образом, чтобы различные l последовательно модулировались частотой fо. Выделяя составляющую fо в сигнале приёмника с помощью электрического фильтра, получают функцию времени F(t), значения которой пропорциональны соответствующим интенсивностям в спектре f(l).

  Многоканальные системы с селективной модуляцией (группа 4) основаны на операции мультиплексирования (multiplexing) — одновременном приёме излучения от многих спектральных элементов dl в кодированной форме одним приёмником. Это обеспечивается тем, что длины волн l‘, l‘’, l‘’’,... одновременно модулируются разными частотами f’, f’’, f’’’,... и суперпозиция соответствующих потоков в приёмнике излучения даёт сложный сигнал, частотный спектр которого по f несёт информацию об исследуемом спектре по l. При небольшом числе каналов компоненты f’, f’’, f’’’,... выделяются из сигнала с помощью электрических фильтров. По мере увеличения числа каналов гармонический анализ сигнала усложняется. В предельном случае интерференционной модуляции искомый спектр f(l) можно получить Фурье-преобразованием регистрируемой интерферограммы (см. Фурье-спектроскопия). Среди др. возможных способов многоканального кодирования получили практическое применение маски-матрицы Адамара (см. ниже).

  За рамками классификации, приведённой на рис. 2, остаются лишь методы, использующие почти монохроматическое излучение перестраиваемых лазеров (см. Спектроскопия лазерная).

Все рассмотренные группы методов спектрометрии нашли практическое воплощение в конструкциях С. п., но относительная распространённость их различна. Например, спектрометры сисам, относящиеся к группе 3, осуществлены лишь в нескольких лабораторных экспериментальных установках, а классические приборы на основе монохроматоров получили повсеместное распространение как основное средство анализа структуры и состава веществ. Рассмотрим наиболее распространённые типы С. п., следуя приведённой классификации.

1. Одноканальные С. п. с пространственным разделением длин волн
2. Многоканальные С. п. с пространственным разделением длин волн
3. Одноканальные С. п. с селективной модуляцией
4. Многоканальные С. п. с селективной модуляцией
Так же Вы можете узнать о...


Африки Институт Академии наук СССР, научно-исследовательское учреждение в Москве, изучающее экономические, социально-политические, международные, исторические и культурно-этнографические проблемы развития современных стран Африки.
Дураццо (Durazzo), бывшее итальянское название города Дуррес в Албании.
Малипьеро Джан Франческо Малипьеро (Malipieго) Джан Франческо (родился 18.
Ракоскорпионы, вымершие хелицеровые членистоногие; то же, что эвриптериды.
Фромм Эрих Фромм (Fromm) Эрих (р. 23.3.1900, Франкфурт-на-Майне), немецко-американский психолог и социолог, представитель неофрейдизма.
Бочаров Михаил Ильич [3(15).1.1831, Москва, — 13(25).
«Интернационал 2 1/2-й» «Интернационал 21/2-й» («двухсполовинный»), распространённое название Международного рабочего объединения социалистических партий (или Венского интернационала), существовавшего в 1921—23 и объединявшего центристские социалистические партии и группы Австрии, Бельгии, Великобритании, Германии, Греции, Испании, Польши, Румынии, США, Франции, Швейцарии и некоторых др.
Морские языки (Soleidae), семейство рыб отряда камбал.
Северное полярное море, прежнее (до 1935) название Северного Ледовитого океана; наряду с названием «Арктический океан», «Арктическое море» и др.
Ш, двадцать шестая буква русского алфавита. По начертанию восходит к букве («ша») кириллического (см.
Войска связи, специальные войска, предназначенные для обеспечения связи и управления войсками.
Кинохроника, оперативная киноинформация об актуальных событиях и фактах современной жизни.
Овалы (франц., единственное число ovale, от лат.
Ставский Владимир Петрович Ставский (псевдоним; настоящая фамилия — Кирпичников) Владимир Петрович [30.
Языков Николай Михайлович [4(16).3.1803, Симбирск, ныне Ульяновск, — 26.
«Голос социал-демократа» («La voix du social-démocrate»), журнал, центральный заграничный орган меньшевиков, издававшийся в Женеве, затем в Париже с февраля 1908 по декабрь 1911.
Кроветворения стимуляторы, группа лекарств, веществ различного происхождения и механизма действия, оказывающих стимулирующее влияние на процессы кроветворения.
Петроградская оборона 1919, боевые действия советских войск 7-й и 15-й армий Западного фронта (командир Д.
Токородзава, город в Японии, на острове Хонсю, в префектуре Сайтама, к северо-западу от Токио.