Методы и приборы фурье-спектрометрии космического базирования

2
СОДЕРЖАНИЕ
Вступление 4
гл.1. Развитие теории метода фурье-спектрометрии 12
1.1. Общая теория метода при идеальном интерферометре 12
1.2. Протяженный источник излучения. 21
1.3. Погрешности в определении оптической разности хода ' 24
1.4. Погрешности оптических элементов и
разъюстировки интерферометра. 30
1.5. Извлечение информации непосредственно из интерферограммы .33
1.6. Преобразование интерферограммы в спектр. 43
1.6.1. Аподизация интерферограммы. 45
1.6.2. Методы фазовой коррекции интерферограммы. 48
1. 6.3. Суммирование интерферограмм фурье-спектрометра. 56
1.7. Выводы. 59 гл.2. Разработка методов и приборов фурье-
спектрометрии для космических аппаратов (КА). 60
2.1 Требования к спектрометрам, устанавливаемым на КА. 61
2.2. Разработка фурье-спектрометра МФС-1. 64
2.3. Фурье-спектрометр ПФС. 81
2.4. Выводы. 89 гл.З Применение многоплощадочных приемников
в фурье-спектрометрах. 91
3.1. Комплекс обзорно-спектрометрической
аппаратуры МФС-Б. 94
3.2. Дополнительные возможности фурье-спектрометров
с многоэлементными приемниками. . 117
3.3. Гиперспектральные спектровизоры на основе
фурье-спектрометров с матричными приемниками. 135
3.3.1. Типы видеоспектрометров. 138
3.3.2. Видеоспектрометры на основе фурье-спектрометров.
3.3.3. Датчик волнового фронта на основе фурье-спектрометра.
3.4. Выводы Заключение.
Список цитируемой литерату ры
Список трудов опубликованных по теме диссертации
ВСТУПЛЕНИЕ
Слово “спектр” происходит от латинского “spectrum”, что значит “образ”. Спектральные приборы, во всем их разнообразии, как раз и есть тот самый рабочий инструмент, который позволяет получать и распознавать “образы” - спектры. Идентифицировать и определить количество веществ в исследуемой пробе, найти газовую течь в трубопроводе или местонахождение полезных ископаемых, определить предприятие -загрязнитель атмосферы или воды, идентифицировать подвижные или неподвижные объекты на сложном фоне или сертифицировать продукты и фармацевтические препараты - вот самый малый перечень задач, решаемых с помощью спектральной аппаратуры.
Вся история развития спектрального приборостроения - это поиски путей увеличения потока информации поступающего из прибора за единицу времени, при сохранении или сокращении габаритов и веса прибора. Информацией спектрального прибора являются сигналы в аналоговом либо цифровом виде определяющие спектральное, а в некоторых случаях, и пространственное разрешение, охватываемый спектральный диапазон, пороговую чувствительность, отношение сигнал/шум и точность регистрации измеряемых величин. В настоящее время различают, так называемые, классические спектральные приборы, осуществляющие кодировку пространства длинами волн (призмы, решетки, интерферометр Фабри-Перо и так далее.) и новые приборы, кодирующие длинами волн электрические частоты (фурье-спектрометры и адамар-спекгрометры) [1].Среди последних, наиболее успешно развиваются фурье-спектрометры.
Фактически, принцип фурье-спектрометрии был изложен в 1957г. сотрудником ГОИ Н.Г. Бахшиевым в работе “Новый принцип спектрометрии” [2], к сожалению, почти не отмеченной за рубежом. Родоначальниками этого метода считаются: Фельджетт, в 1958г. первым изло-
живший одно из основных преимуществ фурье-спектрометрии - принцип одновременности регистрации всех длин волн (мультиплексности)
[3], и Ж. Конн, тогда же разработавшая основы теории нового метода
[4] и назвавшая его - метод с преобразованием Фурье (la metode par transformée de Fourier). В нашей литературе, с подачи пионера развития этого направления Киселева Б.А., этот метод называется “фурье-спектрометрия” [5]. Надо отдать должное нашим ученым - Киселеву Б.А. (до этого уже много работавшим в спектральном приборостроении с В.К. Прокофьевым, Б.С. Непорентом и Ф.М. Герасимовым) и Паршину П.Ф. практически одновременно со своими зарубежными коллегами, оценившими большие потенциальные возможности, заложенные в этом методе. Они сумели развить новую теорию и одновременно изготовить в ГОИ первый отечественный фурье-спектрометр ИТ-69, работающий в широкой спектральной области 0,4 - 20 мкм. Обо всех этих работах было доложено на 18 чтениях имени академика Д.С. Рождественского 21 мая 1964 года [6]. В первой статье об истории развития фурье-спектрометрии [7], написанной сотрудником Air Force Cambridge Research Laboratories Ловинштейном, имеются 4 ссылки на их работы.
Значительные преимущества приборов, построенных на этом принципе, по сравнению с классическими спектрометрами были сформулированы, как в самом начале развития [3,4], так и на более поздней стадии [8,9]. Основные преимущества: большая светосила (большой телесный угол, из которого может собираться исследуемое излучение при том же спектральном разрешении); одновременность регистрации всех спектральных интервалов (мультиплексность); точность привязки шкалы волновых чисел по одному внутреннему эталону; большой диапазон реализуемых спектральных разрешений, определяемых только величиной реализованной разности хода в плечах интерферометра; большая ширина регистрируемого спектра; отсутствие влияния рассеянного света; однозначность конструкторских и методических решений при по-
строении приборов в очень широком спектральном диапазоне. Столь большой перечень преимуществ, позволяющий получить выигрыш отношение сигнал/шум в регистрируемом спектре несколько порядков, обусловил стремительное развитие приборов основанных на этом принципе. Если в начале своего развития ФС использовались, главным образом, для длинноволнового участка спектра (Х,>20мкм) в связи с тем, что точности, предъявляемые к оптико-механической части прибора, пропорциональны длине волны, то в настоящее время имеются ФС работающие от 0,2мкм. Серийный ФС фирмы BRUKER IFS 120HR [10] имеет спектральное разрешение 0,002 см*1 и работает в спектральной области от 42000 до 5 см*1 (стандартная область 4800 -450 см*1) с относительной точностью привязки шкалы волновых чисел не хуже 0,5x10*' и абсолютной не хуже 5x1 О*7. На основе микротехнологий разработан самый миниатюрный на настоящее время ФС [11], имеющий размеры 5x4x3 мм3, работающий в видимой области спектра (550-700 нм) и обеспечивающий спектральное разрешение ДА= 4нм на 633 нм. Подавляющее большинство космических спектрометров, особенно для ИК области спектра, работают также на этом принципе. Например, разработанный в ФРГ космический ФС [12], проводит измерение спектра в интервале от 2 до 20 мкм с теоретическим спектральным разрешением 0,01 см*1 за время около 1 сек. Это составляет около 500000 спектральных интервалов получаемых за 1 сек. В начале 80-х годов в мире уже было выпущено более 50 моделей серийных фурье-спектрометров. Ведущие фирмы по производству серийных ИК спектрометров прекратили разработку новых моделей классических спектрометров и приступили к освоению фурье-спектрометров.
В этой работе невозможно рассмотреть все модификации разработанных фурье-спектрометров и все многочисленные области их применения. Поэтому здесь рассмотрены только разновидности аппаратуры, разработанные в ГОИ или выполненные при непосредственном ру-
ководстве ГОИ, которые не уступали, а в некоторых случаях и превосходили лучшие зарубежные образцы. В настоящее время, несмотря на значительные трудности финансирования науки, в ГОИ продолжаются работы по развитию и совершенствованию методов и приборов фурье-спектромстрии.
Целью данной работы является:
- исследование свойств метода фурье-спектрометрии с целью создания новых высокочувствительных спектральных приборов, способных долговременно работать на космических аппаратах (КА),
- анализ, изучение и разработка методов учета погрешностей в фурье-спектрометрии,
-исследование и оптимизация методов фазовой коррекции и апо-дизации интерферограмм, получаемых на фурье-спектрометрах,
-синтез технических параметров фурье-спектрометрических систем космического базирования,
-создание методов и методик проверок предельных параметров комплексов космических фурье-спектрометров,
- обоснование возможности применения методов фурье-спектрометрии для регистрации тонких и сверхтонких эпитаксиальных пленок,
- разработка методов и приборов фурье-спектрометрии с применением многоплощадочных приемников,
- создание методов построения видеоспектрометрической аппаратуры и датчиков волнового фронта мультимодульной и адаптивной оптики на основе использования фурье-спектрометров с многоплощадочными приемниками.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- на основании проведенных исследований, разработанных методов и методик, создана целая серия оригинальных фурье-спектрометров, предназначенных для установки на КА,
- впервые сформулированы требования минимизирующие ошибки, вызванные неточностью изготовления оптико-механических деталей интерферометра и азиянием приемно-регистрирующей аппаратуры,
-проведена оптимизация применения аподизации и фазовой коррекции интерферограммы, давшая возможность увеличить отношение сигнал/шум в обрабатываемой информации,
-предложены новые методики измерения тонких пленок на фурье-спектрометре, дающие возможность значительно расширить диапазон измеряемых толщин,
исследован оригинальный метод применения многоплощадочных приемников в фурье-спектрометрах, на основе которого разработан и испытан уникальный комплекс обзорно-спектрометрической аппаратуры,
создан метод использования фурье-спектрометра с многоканальным приемником, позволяющий совмещать в одном приборе, как функции гиперспектрального видеоспектрометра, так и датчика волнового фронта адаптивного телескопа.
Практическая значимость работы
на основании проведенного комплекса исследований разработана, прошла наземные и летные испытания целая серия оригинальных фурье-спектрометров космического базирования, давших ценную информацию в процессе проведения экспериментов,
- проведенная оптимизация методов фазовой коррекции и аподизации интерферограмм, позволила повысить отношение сигнал/шум в процессе обработки экспериментальной информации,
9
созданные методы и методики проверки предельных параметров аппаратуры и обработки информации дали возможность аттестовать приборы перед полетом и успешно обработать многочисленные данные различных полетных экспериментов,
отработанные оригинальные методики измерения толщин тонких пленок на фурье-спектрометре, позволили значительно расширить диапазон толщин измеряемых пленок,
исследование метода использования фурье-спектрометра с многоплощадочным приемником позволил разработать уникальный обзорно-спектрометрический комплекс МФС-Б и дал возможность построения аппаратуры, совмещающей одном приборе, как функции ги-перспектрального видеоспектрометра, так и датчика волнового фронта адаптивного телескопа.
На защиту выносятся следующие положения:
- исследование свойств метода фурье-спектрометрии с целью создания новых высокочувствительных спектральных приборов, способных долговременно работать на космических аппаратах (КА),
- анализ, изучение и разработка методов учета погрешностей в фурье-спектрометрии,
- оптимизация методов фазовой коррекции и аподизации интер-ферограмм, получаемых на фурье-спектрометрах,
- обоснование возможности применения методов фурье-спектрометрии для регистрации тонких и сверхтонких эпитаксиальных пленок,
- разработка методов и приборов фурье-спектрометрии с применением многоплощадочных приемников,
- создание методов построения видеоспектрометрической аппаратуры и датчиков волнового фронта мультимодульной и адаптивной оптики на основе использования фурье-спектрометров с многоплощадочными приемниками.
Апробация работы и публикации
Результаты работ докладывались на 10 Российских и Международных конференциях, изложены в 8 авторских свидетельствах и 43 опубликованных работах. В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоял в постановке целей, задач и методик исследований, в анализе и интерпретации результатов.
Актуальность темы
“Никогда человек не имел такого влияния на окружающую его природу, как теперь, никогда еще это влияние не было так разнообразно и так сильно. Человек настоящего времени представляет из себя геологическую силу и сила эта сильна тем, что она все возрастает и предела ее возрастания не видно конца” - эти пророческие слова, сказанные В.И.Вернадским еще в 1884 году в его докладе “О предсказании погоды” стали еще более актуальными в наше время. Поэтому всесторонние исследования биосферы и ноосферы, прогнозирование их развития с целью предотвращения негативных последствий жизнедеятельности человека становятся важнейшими задачами науки и техники.
Современные оптические технологии, безусловно, являются одними из основных в, так называемых, высоких технологиях. Комплексный подход ко всей проблеме “Оптика” является единственно возможным для успешного применения полученных знаний, в том числе и для экологических и научных исследований, проводимых с КА. “Понимать, рассчитывать, строить и изобретать оптические приборы..., применять оптические методы к исследованию атомов и молекул” - это одна из основных задач ГОИ, сформулированная еще Д.С. Рождественским. Трудно назвать хоть одну из сторон обеспечения экологической безопасности страны и Земли в целом, промышленных и научных исследований, в которых не применялись бы оптические технологии. Высокая информативность и чувствительность, быстродействие, а также возможность по-
лучения информации путем дистанционных, бесконтактных (неразрушающих) измерений, определяют широкое распространение оптических технологий, а в ряде случаев делают их незаменимыми, при решении разнообразных научных и технических задач.
“Оптический спектр” в современной оптике охватывает диапазон длин волн электромагнитных колебаний от 0,1 до 1000,0 мкм, смыкаясь в коротковолновой части с рентгеновским диапазоном, а в длинноволновой - с радиочастотным. Спектральные приборы в силу их информативности наиболее часто применяются для решения задач экологического мониторинга, научных исследований, контроля технологических процессов, обнаружения и идентификации различных веществ и объектов.
Вся история развития спектрального приборостроения - это поиск путей и методов увеличения потока информации формируемой прибором за единицу времени (число разрешаемых спектральных элементов, отношение сигнал/шум) при сохранении или сокращении габаритов и веса. В настоящее время, признанным лидером среди этой группы приборов, предназначенных для проведения исследований в самой широкой области спектра, получения спектральных разрешений от сотен до сотых долей см'1 с очень хорошей чувствительностью, безусловно, являются фурье-спектрометры.
Следовательно, разработка методов и приборов фурье-спектрометрии, радиометров и спектрорадиометров для глобального экологического мониторинга с КА, контроля газовой среды, загрязнения вод морей и океанов, а также создание гиперспектральных видеоспектрометров для получения пространственного и спектрального разрешения исследуемых сцен земной и водной поверхности, естественных и антропогенных объектов со спутников, безусловно, является актуальной задачей.
гл.1 Развитие теории метода фурье-спсктрометрия.
Незаурядное изобретение Майкельсоном в 1880 г. интерферометра, за которое он получил Нобелевскую премию, дало первый толчок использованию двухлучевого интерферометра для расшифровки спектров. В 1887 году Майкельсон совместно с Морли применил интерферометр для исследования сверхтонких линий ртути, натрия и других источников. В 1987 году к празднованию столетия этого события была приурочена 6-ая международная конференция по фурье-спектрометрии[13]. Принцип нового метода был впервые сформулирован Н.Г. Бахшиевым [2], как возможность кодирования длинами волн электрических частот, а не пространства, что было свойственно всем известным до того времени спектральным приборам: призмам, дифракционным решеткам, интерферометрам. Основы нового направления и преимущества метода были сформулированы П. Жакино, П. Конном и Ж Конн [3,4]. Большинство теоретических аспектов метода фурье-спектрометрии уже достаточно подробно рассмотрены в многочисленных статьях и монографиях, как в начале развития метода [3,4], так и на более поздних стадиях [8,9,14]. Поэтому в работе рассмотрены только основы метода, без которых трудно понять главные его преимущества, и отдельные вопросы, отличающихся от разработанной теории или уточняющих ее.
1.1 Общая теория метода при идеальном интерферометре.
Основным элементом любого фурье-спектрометра является двух лу'чевой интерферометр. В большинстве разработок используется классический интерферометр Майкельсона, одно из зеркал которого движется с равномерной скоростью ‘V* в направлении нормальном к своей поверхности (рис.1) [14J. Фотоприемник, установленный на выходе интерферометра регистрирует две когерентных волны отраженные от концевых зеркал интерферометра. При этом время задержки одной из двух
волн меняется за время регистрации на величину т = А / с, где А - достигнутая разность хода в плечах интерферометра, а “с” - скорость распространения электромагнитного излучения с амплитудой электрического поля Е(1). Это перемещение позволяет прибору регистрировать функцию автокорреляции входящего в интерферометр электромагнитного излучения, так называемую - интерферограмму. По теореме Вине-ра-Хинчина [15,16] функцию автокорреляции случайного стационарного процесса можно представить интегралом Фурье
•ко
1(т ) = | В(со) ехр(1 сот) бсо. (1)
-00
Обратное фурье-преобразование дает
♦сс
В(со)= | 1(т) ехр(-1 от) с!т, (2)
-О!
где В(со) - спектральная плотность процесса Е(Ч) или просто спектр.
Фурье-спектрометр измеряет интерферограмму, переменная часть которой, пропорциональна функции автокорреляции исследуемого излучения. Спектр получают, выполняя обратное фурье-преобразование этой части. Если “Ь” - максимальная разность хода, получаемая между
интерферирующими пучками, то функция автокорреляции оказывается известна в интервале от 0 до ттах = Ь / с, чему соответствует разрешение df » 1 / ттах или в волновых числах до » 1 / Ь. Следовательно, в отличие от классических спектрометров, разрешение ёа и разрешающая способность фурье-спектрометра Я = о / до не связаны с размерами каких-то оптических элементов, а определяются максимальной разностью хода “Ь” достигаемой в плечах двух лучевого интерферометра при регистрации интерферограммы.
В идеальном интерферометре излучение точечного источника коллимируется идеальной оптической системой и делится затем на два равных по интенсивности пучка посредством идеального (неселективного) светоделителя. Полученные световые пучки, пройдя соответствующую систему' зеркал в плечах интерферометра, возвращаются назад к светоделителю, где и рекомбинируют. Часть рекомбинированного света направляется обратно к источнику, другая часть проходит через идеальную фокусирующую оптику, в фокальной плоскости которой расположена приемная площадка фотодетектора. Формирующаяся в этой плоскости интерференционная картина является функцией относительной фазовой задержки или оптической разности хода между интерферирующими световыми пучками. Фотодетектор измеряет интенсивность светового потока в центральном интерференционном кольце (функцию автокорреляции входного светового потока). Измерение и анализ (обратное фурье-преобразование) интерферограмм и дает возможность получения исследуемого спектра.
Если пренебречь дисперсией среды, заполняющей двух лучевой интерферометр (в первом приближении показатель преломления атмосферы можно считать п = 1), то интенсивность монохроматического излучения прошедшего интерферометр и падающая на фотоприемник можно определить как
Ь (б) = \о/2 + (1о/2) С08(271а05), (3)
где 10 - интенсивность входного монохроматического сигнала с
волновым числом а0, 6 - разность хода в плечах интерферометра.
Световой поток 1$ (5), отраженный в сторону источника:
15 (5) = 1</2 - (1о/2) со5(2л<705). (4)
Если спектр источника протяженный и мощность спектрального излучения в интервале волновых чисел (а, а + скт) равна В(а)с1а , то
Ь(8) = 2 ] Я Т В(а) <3а +2 | Я Т В(о) со5(2тсс5)с1а (5)
15(6)= \ (Я2 + Т2) В(а) с!а - 2 } ЯТ соз(2яа5)с1ст , (6)
—«С —^0
где К и Т соответственно коэффициенты энергетического отражения и пропускания светоделителя.
Фурье-преобразование переменной части интерферограммы позволяет восстановить исследуемый спектр
В(ст) = ] 10(6) ехр(-1 2то6) с!5 = ТР[1В (8)]. (7)
-00
Идеальная интерферограмма предполагается бесконечной протяженности по оптической разности хода, что обеспечивает бесконечно большую разрешающую силу фурье-спектрометра. В действительности, целый ряд факторов (оптических, механических, электрических) ограничивает достигаемое разрешение и, в первую очередь, конечные пределы механического перемещения подвижного зеркала интерферометра, возможности регистрации и последующей цифровой обработки получаемых интерферограмм. Присутствующие в реальном оптическом устройстве отклонения от идеачьной модели также существенным образом влияют на получаемую глубину интерференционной модуляции сигнала (амплитуду интерферограммы). Это, в свою очередь, сказывается на от-