Содержание к диссертации
Введение
1 Метод ДЛС для регистрации следовых концентраций газовых примесей 15
1.1 Регистрация газовых примесей в атмосфере 15
1.1.1 Методы регистрации газовых примесей в атмосфере 15
1.1.2 Модельные расчеты спектров газов в атмосфере 18
1.2 Одночастотный перестраиваемый гетеролазер 20
1.2.1 Современное состояние и пути создания одночастотных полупроводниковых гетеролазеров 20
1.2.2 Генерация излучения гетеролазера 22
1.2.3 Применение гетеролазеров для мониторинга следовых количеств газовых примесей в атмосфере 26
1.3 Основные типы одночастотных гетеролазеров 33
1.3.1 Одночастотный режим генерации полупроводникового лазера 33
1.3.2 Полупроводниковые гетеролазеры с распределенной обратной связью (РОС) 36
1.3.3 Полупроводниковые гетеролазеры с распределенным брэгговским отражателем (РБО) 38
1.3.4 Полупроводниковый лазер с вертикальным резонатором .40
1.3.5 Квантовый каскадный лазер 44
1.4 Фотоприемники для системы регистрациигазов 46
1.5 Шумы и методы исследования характеристик оптического и электронного трактов 51
1.5.1 Шумы излучения лазера ..52
1.5.2 Шумы фотоприемника 54
1.5.3 Анализ фурье-преобразования сигнала 57
1.5.4 Анализ дисперсии Аллана 58
Выводы 60
2 Разработка трехканальной оптико электронной системы и исследования основных ее элементов ... 61
2.1 ОЭС газоанализатора на базе телескопа МСТ 180/1 800 61
2.1.1 Принципиальная блок-схема 61
2.1.2 Электронный блок сопряжения 63
2.1.3 Оптическая схема 64
2.2 Исследование режимов генерации одномодового гетеролазера 68
2.2.1 Методы исследования режимов генерации 68
2.2.2 Исследование перестройки по частоте спектра генерации гетеролазера 69
2.2.3 Температурная перестройка спектра излучения РОС гетеролазера 72
2.2.4 Токовая перестройка спектра излучения РОС гетеролазера 75
2.2.5 Частотная развертка лазерного импульса 77
2.3 Исследование характеристик фотоприемного модуля 79
2.3.1 Чувствительность фотоприемника 81
2.3.2 Интерференционные оптические фильтры 84
Выводы 86
3 Алгоритм регистрации и программное обеспечение 87
3.1 Модельные расчеты и выбор аналитических линий с учетом пропускания атмосферы 87
3.2 Регистрация линий слабого поглощения 89
3.2.1 Алгоритм регистрации 90
3.2.2 Определение концентрации 93
3.2.3 Режим временного мультиплексирования трехканальнои ОЭС 96
3.3 Программы для ОЭС 98
3.3.1 Рабочая программа регистрации 98
3.3.2 Программа для анализа быстрого фурье преобразования сигнала 101
3.3.3 Программа анализа дисперсии Алана 103
Выводы 106
4 Исследование характеристик и шумов основных узлов ОЭС 107
4.1 Характеристики и шумы лазерного модуля 107
4.1.1 Система температурной стабилизации частоты 107
4.1.2 Применение генератора высокочастотного широкополосного шума для подавления интерференционных помех 112
4.1.3 Спекл-шум 115
4.2 Шумы фотоприемного модуля 119
4.2.1 Шумы фотоприемника 119
4.2.2 Шумы предусилителя 121
4.3 Исследование характеристик электроники управления ОЭС 123
4.3.1 Характеристики платы ввода вывода PXI-6289M 123
4.3.2 Характеристики электронного блока управления 125
4.3.3 Калибровка каналов регистрации при абсолютных измерениях концентрации газов 127
4.3.4 Предельная дальность работы системы с топографическим отражателем 128
Выводы 131
5 Экспериментальные исследования чувствительности и дальности дистанционного обнаружения газов С02, СН4, NH3 132
5.1 Эксперимент по одновременной регистрации трех газов 132
5.2 Дистанционное обнаружение следов газов в автомобиле 134
5.3 Дистанционное обнаружение присутствия людей 136
5.4 Измерение пространственного распределения метана с помощью дистанционного измерителя.138
Выводы 140
Заключение 141
Список литературы 143
Приложения 153
- Применение гетеролазеров для мониторинга следовых количеств газовых примесей в атмосфере
- Исследование перестройки по частоте спектра генерации гетеролазера
- Программа для анализа быстрого фурье преобразования сигнала
- Применение генератора высокочастотного широкополосного шума для подавления интерференционных помех
Введение к работе
Обнаружение следовых концентраций различных газовых примесей в атмосфере является актуальной задачей в наш век урбанизации жизни. В проблеме «Электронного носа» наряду с другими методами, разрабатываемыми на кафедре Полупроводниковая электроника [1], очень перспективным является альтернативный лазерно-спектроскопический метод, основанный на перестраиваемых по частоте полупроводниковых лазерах, получивший название диодная лазерная спектроскопия (ДЛС) [5, 6]. Этот метод имеет ряд неоспоримых преимуществ перед другими оптическими и физико-химическими методами по скорости измерений и чувствительности. Это и дистанционное обнаружение присутствия людей по химическому полю человека, и обнаружение взрывчатых веществ по их летучим компонентам, и утечек метана в газопроводах, и во многих других прикладных задачах.
Одним из уникальных свойств полупроводниковых лазеров является их способность к перестройке по частоте в достаточно широких пределах. Работа Хинкли (Е. D. Hinkley) [7] положила начало применению перестраиваемых диодных лазеров в молекулярной спектроскопии высокого разрешения. В нашей стране первые молекулярные спектры высокого разрешения были получены практически одновременно тремя научными коллективами ИОФАН, НИИ ПФ и ИСИАН [2, 3, 4], а дальнейшая история развития ДЛС представлена в [8].
Касаясь истории развития инжекционных лазеров нельзя не отметить, что именно профессор МЭИ В.А. Фабрикант еще в 1938 г. четко сформулировал квантовый способ усиления электромагнитных волн в средах и ввел понятие отрицательной температуры [9]. Первая работа о возможности использования полупроводников для создания лазера была опубликована в 1959 Н.Г. Басовым, Б.М. Вулом и Ю.М Поповым [10]. На полупроводниках режим генерации был реализован в 1962 г в лаборатории Холла (Hall R.N.) [11].
Дальнейшее прогрессивное развитие полупроводниковых лазеров связано с именем Ж.И. Алферова [12, 13] и с гетероструктурами на основе твердых растворов АШВУ и AIVBV1 [14...28]. В настоящее время гетеролазерами перекрыт спектральный диапазон от ближнего УФ до дальнего ИК [8, 14, 29].
Наиболее многообещающей областью ДЛС представляется применение гетеролазеров для аналитических и диагностических целей при анализе газовых смесей, для детектирования молекулярных микропримесей, при исследовании современных технологических процессов, в медицинской и криминалистической диагностике и т.д. Перспективность применения гетеролазеров для аналитических и диагностических целей была отмечена на первых же этапах развития этого направления. Первой демонстрацией таких применений был измеритель содержания СО в открытой атмосфере [30]. А в 1985 г. А. Д. Бритов, А. И. Надеждинский и др. были удостоены Государственной Премии за работу: «Перестраиваемые лазеры на полупроводниках AIVBVI и молекулярная спектроскопия высокого разрешения на их основе». В дальнейшем работы по ДЛС в нашей стране стали развиваться в ИОФАНе при поддержке академика А. М. Прохорова в отделе ДЛС под руководством профессора А. И. Надеждинского при активном участии профессора А. Д. Бритова и ряде других институтов. Работы по созданию гетеролазеров в настоящее время ведутся в ФТИ им. Иоффе (г. Санкт-Петербург) и НПО «Полюс» (г. Москва).
Уход от глубокого охлаждения и переход к аналитическим линиям в ближнем ИК диапазоне способствовало дальнейшему развитию работ в области ДЛС в ИОФАНе. Именно в этой области на основе одночастотных инжекционных гетеролазеров InGaAs и развивается диссертация, завершившаяся созданием образца трехканального детектора дистанционного обнаружения следов газов в атмосфере на основе перестраиваемых РОС гетеролазеров с оптоволоконным выводом излучения и на базе телескопа МСТ 180/1800 (оптическая схема Максутова-Кассегрена).
Развитие микро- и наноэлектроники и получение прецизионных многослойных наноструктур [14, 31] привело к созданию квантовых каскадных лазеров (ККЛ) [32]. Физика внутризонных переходов позволяет получать генерацию до 10 мкм без охлаждения с мощностью излучения в одной моде более 1 Вт и потенциально расширить диапазон до 300 мкм (терагерцовый диапазон). В настоящее время уже показана возможность применения ККЛ в лазерной спектроскопии. Однако их применение, ввиду высокой стоимости, сложности технологии и недостаточной надежности, пока относится к будущему лазерной спектроскопии.
Диссертация посвящена решению задач создания опытного образца прибора для одновременной дистанционной регистрации следовых количеств нескольких молекулярных объектов. Это необходимо для ситуации, когда решение принимается по совпадению сразу нескольких характерных признаков. В частности для данной работы были выбраны три молекулярных объекта -биомаркера химического поля человека: ССЬ, СНЦ и NH3, как наиболее универсальные из всех продуктов жизнедеятельности человека. Необходимо отметить, что работы по регистрации и исследованию химического поля человека активно поддерживаются академиком Ю.В. Гуляевым [33]. Так же эти молекулярные объекты являются продуктами распада целого ряда взрывчатых веществ относящиеся к аммиачно-селитренным взрывчатым веществам (аммониты, аммоналы, динамоны, амматолы и др). Так же они могут быть идентификаторами некоторых ядовитых веществ и наркотиков.
Очевидно, что дистанционная регистрация этих биомаркеров с высокой чувствительностью актуальна в решении различных прикладных задач и особенно вопросов безопасности окружающей среды и жизнедеятельности человека. К тому же в мире не существует широко известных альтернативных приборов способных регистрировать одновременно несколько молекулярных объектов созданных на гетеролазерах ближнего ИК диапазона.
Применение гетеролазеров для мониторинга следовых количеств газовых примесей в атмосфере
Таким образом генерация излучения в гетеролазере происходит благодаря оптическим переходам электронов проводимости в полупроводниках между зоной проводимости и валентной зоной. Эти зоны весьма широки, что приводит к широкому спектру поглощения. На рис. 1.5 приведена типичная картина изменения поглощения в полупроводниковом лазере при протекании через него тока накачки.
В отсутствие тока накачки (в равновесии) имеется поглощение излучения в полупроводниковом лазере, спектр которого представлен на рис. 1.5 (верхняя кривая). При смещении напряжения в прямом направлении через него протекает ток, создающий неравновесные носители обоих типов в окрестности p-n-перехода. Излучательная рекомбинация электронов и дырок приводит к излучению и обуславливает изменение спектра коэффициента поглощения. Следует отметить, что при превышении порога практически перестает изменяться и спектр поглощения на рис. 1.5. Строго говоря, это так лишь в случае однородного спектра, когда скорость релаксации неравновесных носителей тока по энергии столь быстра, что их распределение по энергии не зависит ни от тока накачки, ни от излучения. В реальных гетеролазерах это не совсем так, а происходящие при этом изменения спектра, приводят к качественным изменениям (см. п. 1.3.1). запрещенной зоны полупроводника. Рассмотрим основные способы создания одночастотного режима генерации полупроводникового лазера. С развитием различных технологий выращивания гетероструктур [63, 64], таких как жидкофазная, газофазная и молекулярно-лучевая эпитаксия, появилась возможность создавать большое количество различных по свойствам и качеству лазерных структур обладающих, как общими, так и специфическими для каждого из типов свойствами. Основными на данный момент можно считать следующие типы полупроводниковых лазеров: - гетеролазер с резонатором Фабри-Перро; - гетеролазер с распределенной обратной связью (РОС); - гетеролазер с распределенными брэгговскими отражателями (РБО); - гетеролазер с вертикальным резонатором; - квантовый каскадный лазер. Детектирование малого молекулярного поглощения с помощью полупроводникового гетеролазера всегда рассматривалось в качестве одного из наиболее перспективных их применений. Первой демонстрацией таких применений было детектирование СО в открытой атмосфере [30]. Следующий важный шаг в достижении высокой чувствительности при детектировании следовых содержаний молекул был достигнут в [65] за счет модуляции частоты излучения гетеролазера с помощью тока накачки и детектирование сигнала на второй гармонике модуляции. За прошедшие годы были разработаны разнообразные методы детектирования (более 400 публикаций за последние 20 лет), что позволило выйти на предел обнаружения следовых содержаний молекул на уровне 0.05-1 ppb (см., например, [66]). Аналитическим применениям диодных лазеров ближнего и среднего РІК диапазона посвящены обзоры [67...73].
Основой методов лазерной ИК спектроскопии поглощения является анализ тонкой структуры колебательно-вращательных полос поглощения молекул, т.е. положение, интенсивность, форма и ширина отдельных линий спектра. Эта информация позволяет идентифицировать объект, определить величину его содержания в смеси. Время взаимодействия лазерного излучения с веществом (время сканирования линии) и конфигурация оптической схемы определяют пределы разрешения пространственно-временных характеристик газового состава.
Ключевым аспектом для спектроскопических применений гетеролазера является его перестройка по частоте. Так как спектр излучения полупроводникового лазера определен коэффициентом усиления и спектром лазерного резонатора, перестройка частоты генерации будет зависеть от внешних воздействий на эти параметры.
Во-первых, ширина запрещенной зоны, а с ней и положение полосы усиления рабочего вещества могут быть подвергнуты изменению с помощью таких факторов, как температура, гидростатическое давление, одноосное давление и магнитное поле. Во-вторых, под действием тех же факторов происходит изменение диэлектрической проницаемости среды в области пика усиления, влекущее за собой изменение собственных частот резонатора. Последние изменения обусловлены первыми, поскольку являются результатом смещения края собственного поглощения и соответствующего изменения кривых дисперсии диэлектрической проницаемости в окрестности этого края. Под действием этих факторов происходит тонкая и непрерывная перестройка частоты генерации отдельного типа колебаний и более грубое смещение всего спектра излучения.
Интервал грубой температурной перестройки может быть довольно большим и достигать сотни см"1. Что касается влияния магнитного поля, то оно, в основном, определяется эффективными массами носителей тока. В узкозонных полупроводниках они достаточно малы, что увеличивает диапазон магнитной перестройки.
Исследование перестройки по частоте спектра генерации гетеролазера
При фоновых измерениях концентраций метана, углекислого газа и аммиака на достаточно больших расстояниях (трасса более 60 м) в открытой атмосфере необходимо учитывать влияние других газовых составляющих. Поэтому при выборе аналитических линий поглощения учитывались области пропускания излучения атмосферными газами. Вода является одним из основных мешающих факторов при измерениях концентраций вышеперечисленных газов в открытой атмосфере. Причем, давление насыщенных паров воды, при нормальных условиях, может варьироваться в широких пределах от 2 до 20 Торр. Поэтому рабочие линии выбирались таким образом, чтобы влияние поглощения воды было минимальным. [109 ... 116]
На рис. 3.2, рис. 3.1 и рис. 3.3 показаны расчетные спектры поглощения метана (СН4), углекислого газа(СОг) и аммиака (NH3) на фоне спектра поглощения воды (Н20) при атмосферных условиях на трассе 60 м для рабочих спектральных диапазонов. Спектроскопические параметры, такие как частота, интенсивность, ширина линии, сдвиг брались из спектроскопической базы данных HITRAN (см. 1.1.2)
Необходимо так же отметить, что углекислый газ и метан являются парниковыми атмосферными газами и их фоновая концентрация, при нормальных условиях, достаточно высока и составляет порядка 1,6 ррт (0,0012 Тогг) и 300 ррт (0.228 Тогг) соответственно, фоновая концентрация аммиака при нормальных условиях, в атмосфере порядка 5-Ю"11 ppm (3.8-10 14 Тогг), к тому же его нет в спектроскопических базах для данного спектрального диапазона, поэтому его спектр поглощения был получен на Фурье-спектрометре BRUKER IFS 66 v/S с разрешением 0,125 см" 1 в отделе ДЛС в ЦЕНИ ИОФ РАН им.Прохорова. На рис. 3.3 спектр поглощения аммиака построен для концентрации 30 ррт (0,023 Тогг) что соответствует суточной ПДК для этого газа.
Как видно из рисунков, спектральные микроокна являются оптимальными для выбора линий поглощения при регистрации СЩ на линии поглощения Х=1650,95 нм, С02 на линии поглощения X =1602,5 нм и NH3 на линии поглощения X =1512,18 нм методами ДЛС. К тому же спектры этих молекул в этих диапазонах являются характеристическими и их селективность к другим газам лучше чем 10 . При этом учитывается высокое спектральное разрешение гетеролазера (ширина линии генерации порядка 30 МГц) и диапазон перестройки частоты гетеролазера током (см. 2.2.4).
Для регистрации линий слабого поглощения (коэффициент поглощения -10") методами ДЛС специально разработан алгоритм, включающий в себя помимо традиционной методики накопления регистрируемого сигнала и его последующей фильтрации, так же специальную форму импульса тока накачки, позволяющую минимизировать фликкерную компоненту шума, включая технические шумы регистрирующего тракта, вызванные различными вибрациями системы, а так же активно проводить температурную стабилизацию циклов сканирования импульсов по реперной линии поглощения и величине порогового тока накачки гетеролазера. [117,...122] Оптимизация алгоритма детектирования в значительной мере определяется постановкой конкретной задачи. Тем не менее, можно определить задачу в общем виде [107]. Сначала с помощью модуля температурной стабилизации гетеролазер выводится в диапазон линии поглощения (температурная перестройка по частоте, см. 2.2.3). После этого, с помощью компьютера, задается массив, определяющий специальную форму импульса тока накачки 1п.(рис. 3.4). Эта форма импульса позволяет производить сканирование частоты путем изменения тока накачки гетеролазера (токовая перестройка по частоте, см. 2.2.4 и 2.2.5). Здесь по осям X и У представлены соответственно точки оцифровки массива тока накачки подаваемые на ЦАП платы ввода/вывода N1DAQ и величина генерируемого массива. Частота оцифровки f=333 кГц, что соответствует интервалу времени между точками данных порядка 3 мкс Эта форма является примером используемого в системе режима сканирования частоты генерации гетеролазера. Она содержит ряд моментов являющихся общими для всех лазерных каналов ОЭС. Во-первых, существуют области (на рисунке отмечены "О"), в которых ток накачки меньше порогового значения. В данном случае используется величина, составляющая половину порогового тока генерации лазера. По этим периодам времени осуществляется отсечка фонового излучения принимаемого фотоприемником. Так же во время этого интервала времени осуществляется стабилизация циклов сканирования частоты излучения лазера по реперной линии поглощения молекулы путем изменения подпорогового тока накачки производящего разогрев кристалла в соответствие с необходимым смещением по частоте. Сама величина тока накачки в данных областях не имеет принципиального значения. Важно, чтобы ток накачки был заведомо ниже порогового значения, когда мощность излучения гетеролазера пренебрежимо мала (см. рис. 2.7). В данном случае длина массива равняется 100. Экспериментльно использовалась длинна массива от 3 до 10000. Доля массива, приходящаяся на область "0" подлежит оптимизации, исходя из статистических свойств доминирующих шумов. Существенным моментом является также наличие модуляции внутри импульса генерации обозначеннго на рисунке как "D". Данный режим работы позволяет при сканировании линии поглощения получать практически одновременно значения контура поглощения на разных частотах, что при дальнейшей математической обработке сигнала позволяет исключить фликкерные шумы и шумы механических вибраций, так как изменение произошедшее в практически одновременно на разных частотах не может быть связано с изменением контура поглощения и такие изменения фильтруются..
На рис. 3.5 приведен пример сигнала, регистрируемого фотодиодом, при рассматриваемой форме импульса тока накачки для одного импульса тока гетеролазера. Сплошными маркерами показан сигнал генерируемый током накачки, пустыми маркерами показан сигнал фотоприемника при сканировании линии поглощения. По вертикальной шкале отложено нормированное значение. Видно, что для областей "О", где ток накачки меньше порогового значения и мощность излучения мала, наблюдается отличная от нуля величина дополнительного фототока, обусловленная внешней подсветкой. Это обстоятельство является весьма существенным для системы при режиме работы, когда внешнюю подсветку устранить невозможно.
Программа для анализа быстрого фурье преобразования сигнала
При помощи компьютера на лазер подается ступенчатая форма импульса тока накачки. Температурная зависимость измерена калиброванным термоэлементом в лазерном модуле (NTTElectronics). На вставке показан интервал времени до 1 с, на котором видно задержку в измерениях термоэлемента в 0,3 мс между изменением тока и началом регистрации изменения температуры. После этого наблюдается линейная зависимость изменения температуры с выходом на режим плавного насыщения через 23,6 с. Это показывает характерные времена откликов системы на изменения тока и температуры, что позволяет оптимизировать стабилизацию частоты как по температуре, так и по линии поглощения, когда когда активная область лазера разогревается подпороговым током накачки
Тепловые свойства системы термостабилизации описываются следующим уравнением: Здесь С - теплоемкость держателя; R - тепловое сопротивление между держателем и радиатором; AT и AW - отклонение температуры и теплового потока, попадающего на радиатор, от средних значений; а и Р - параметры пропорционально-интегрального закона управления; т - время запаздывания в системе термостабилизации. Конечность времени распространения тепла между элементом Пельтье и термодатчиком приводит к запаздыванию в лазерном модуле. Это запаздывание компенсируется пропорциональным и интегральным коэффициентами управления обратной связи.
Как говорилось выше, интерес представляет не столько стабильность температуры гетеролазера, сколько стабильность его частоты. Для спектроскопии и аналитических применений нужен подход, который называется стабилизацией циклов сканирования лазером по реперной линии поглощения. Он совмещает режим стабилизации со сканированием частоты.
Впервые этот режим работы гетеролазера был реализован в отделе ДЛС ЦЕНИ ИОФ РАН [103,104,123] Программа реализует режим стабилизации циклов сканирования с включением в обратную связь также системы термостабилизации. Блок-схема программы приведена на рис. 4.3. Программа содержит два уровня управления. Первый уровень представляет собой стабилизацию температуры гетеролазера (верхняя часть блок-схемы). На его вход подаются: измеренная и установочная температуры термодатчика: Т и То, соответственно. Используется пропорционально-интегральный закон управления термоэлементом:) где M(t) - разница между заданной и реальной температурой в данный момент; а и Р - параметры пропорционально-интегрального закона управления; т - время запаздывания в системе термостабилизации. В данном случае, для эффективности работы всей системы в целом целесообразно использовать малые значения коэффициента интегрального управления.
Второй уровень управления (нижняя часть блок-схемы) обеспечивает стабилизацию циклов сканирования частоты гетеролазера. На его вход подается разбаланс частоты Av. Управление происходит с помощью тока накачки в промежутках между импульсами. Используется интегральный закон управления, поскольку полупроводниковый лазер есть легкая система с точки зрения теории управления. Это есть управление температурой активной области, в то время, как ток накачки во время импульса, используемого для работы остается неизменным. Вместе с тем было отмечено, что в процессе работы системы ток управления заметно изменялся, а для нас важно, чтобы его величина находилась между 0 и пороговым значением, чтобы не искажать регистрируемых данных. По этой причине была включена еще одна ветвь, отмеченная на рисунке пунктиром. Она представляет собой обратную связь в систему стабилизации температуры из системы стабилизации циклов сканирования. На вход этой подсистемы подается разница между током управления системы стабилизации циклов сканирования и 0.5 величины порогового тока. Используется интегральный закон управления. Выход этой подсистемы корректирует величину То.
Использование пропорционального и интегрального законов управления для температурной стабилизации является принципиальным для достижения оптимального функционирования системы и подавления шумов вызванных дрейфом температуры.
Анализ работы системы термостабилизации проводился с помощью программы написанной в N1 LabWiev методом дисперсии Аллана (см. 3.3.3). На рис. 4.4 приведен пример одного из таких измерений.
В данном случае измерялось напряжение на термодатчике, которое с учетом его калибровки переводилось в температуру Т. Анализировался временной фрагмент длительностью 240 с, время между последовательными измерениями составляло 65 мс. На рисунке приведены графики отклонения дисперсии Аллана измеренной температуры при отключенной системе термостабилизации (сплошные кружки) и включенной системе термостабилизации (открытые кружки).На рисунке отчетливо видно проявление двух механизмов, которые определяют свойства анализируемого массива. Во-первых, это белый шум (прямая 1), который в данном случае определялся шумами АЦП платы. Виден также дрейф температуры при выключенной системе термостабилизации (прямая 2), который в данном случае составлял 30 мкК/сек. Из данного графика отчетливо видны эффективные времена накопления сигнала для достижения предельной чувствительности системы связанные с откликом на режимы температурной стабилизации.
Применение генератора высокочастотного широкополосного шума для подавления интерференционных помех
В функционировании ОЭС есть общие черты. Они определяются базовыми элементами газоанализатора, состоящими из источников питания ДЛ и трмоэлемента Пельтье, каналов управления и регистрации принимаемых сигналов. Кроме того, отдельные элементы функционирования зависят от архитектуры системы и свойств ее отдельных элементов [123].
Трехканальная ОЭС базируется на рабочей станции NT PXI-1031DC на базе процессора Intel Pentium 4 (рис. 2.3) с использованием плат ввода/вывода N1 PXI-6289 М series (рис. 2.5). Рабочая станция, благодаря внутренней синхронизации, поддерживает одновременную работу с тремя платами N1PXI-6289M, каждая из которых позволяет обрабатывать два независимых лазерных спектроскопических канала.
Предельно достижимые параметры связаны в частности со свойствами используемой платы ввода вывода информации N1 DAQ. Плата характеризуется шумами приемного тракта АЦП и передающего тракта ЦАП. Эти шумы зависят от типа используемой платы (разрешение платы, рабочая частота, тип платы). У некоторых типов плат существует возможность добавления к регистрируемому сигналу белого шума, что обеспечивает возможность повышения отношения S/N при накоплении. Последнее обстоятельство приводит к росту шумов при увеличении диапазона работы платы (шумы дискрета).
В данной реализации ОЭС используется плата ввода/вывода N1 РХІ-6289М имеет два независимых выхода (ЦАП) и 8 дифференциальных входов (АЦП), опрашиваемых последовательно с помощью мультиплексора. Разрядность ЦАП составляет 16 бит, а АЦП 18 бит. Плата обладает собственным буфером для ЦАП и АЦП, составляющим соответственно по 8191 байт и 2047 байт. Частота опроса одного входа АЦП равна 40 кГц. При увеличении числа опрашиваемых входов АЦП частота опроса каждого из них уменьшается пропорционально их количеству.
В предложенной конфигурации ОЭС используются оба выхода ЦАП платы и, в зависимости от задачи два или три входа АЦП. Один выход ЦАП используется для генерации импульсов тока накачки РОС гетеролазера (п. 1.2.2), а второй для регулирования режима термостабилизации (п. 4.1.1). Входы АЦП используются для получения сигналов с фотоприемников аналитического и реперного каналов и выхода данных термодотчика для температурной стабилизации.
В зависимости от непосредственной реализации трехканальной ОЭС, возможно, в режиме мультиплексирования сигналов, использование только одного входа АЦП для аналитического канала и по одному для каждого из реперных, либо для каждого из независимых лазерных спектроскопических каналов могут быть задействованы по одному аналитическому и реперному АЦП. Это, в свою очередь, накладывает ограничения на частоту работы каждого из ЦАП/АЦП и необходимость соответствующей синхронизации каналов ОЭС.
Неэквидистантность ЦАП и АЦП приводят, с учетом используемой процедуры измерений, к помехе весьма специфического вида. Особенно это относится к неэквидистантности ЦАП, который легко наблюдается в наших экспериментах. Эта помеха воспроизводится от реализации к реализации. Что касается ее статистических свойств внутри массива, то они близки к дельта-коррелированному (белому) шуму. Данная помеха играет весьма заметную роль, особенно при использовании накоплений регистрируемого массива. Найдено три основных способа борьбы с ней: 1. Наиболее эффективный - калибровка как ЦАП, так и АЦП и использование калибровочных массивов для коррекции массивов данных. 2. Коррекция неэквидистантности АЦП: подача на вход АЦП дополнительного медленно изменяющегося напряжения, что приведет при усреднении массивов к замыванию дельта-коррелированной неэквидистантности АЦП. 3. Наиболее мешающей является неэквидистантность ЦАП. Для ее подавления можно использовать пункт №1. Более легко реализовать иной подход. Поскольку эта помеха воспроизводится от реализации к реализации, то она может быть скомпенсирована с помощью записанной базовой линии. То есть программно производится запоминание массива данных в определенный момент времени, а потом этот массив учитывается при обработке принимаемого сигнала. Характеристики электронного блока управления, состоящего из источника тока накачки гетеролазера, питания термоэлемента Пельтье, питания предусилителей фотоприемников и питания термистора лазерного модуля проверялись с помощью вышеописанных процедур "FFT" и Дисперсии Алана. Они написаны в среде графического программирования LabWiev 7.01 с использованием драйверов фирмы National Instruments. На рис. 4.12, в качестве примера, представлены результаты тестирования источника питания гетеролазера с помощью программы FFT.exe, измеряющую спектральную плотность шумов на входе АЦП (см. п. 1.5.3). Исходя из полученных результатов можно сделать выводы о частотной согласованности электрических элементов электронного блока. Получить std шума в системе и определить частоты на которых присутствуют максимальные негативные наводки для дальнейшей ее оптимизации.
На рис. 4.13 представлены результаты исследования источника питания гетеролазера спомощью программа Л Пап. ехе с процедурой дисперсии Аллана (см. п. 3.3.3), позволяющей проанализировать долговременную стабильность системы. На рис. 4.13(a) представлена зависимость дисперсии Аллана при наличие наводок по питанию лазера. Отчетливо видно проявление гармонической помехи и проявляющийся в связи с ней дрейф температуры лазера. Качественное заземление и устранение наводок позволило избавиться от этой наводки и более чем на порядок повысить стабильность питания гетеролазера (рис. 4.13(6)). В данном случае, результаты тестирования говорят, об отсутствии внешних помех и шумов в плате источника тока ДЛ и наличии только шумов обусловленных самой платой N1 PXI-6289M, которые ограничивают стабильность питания гетеролазера на уровне 0,3 мкВ.
