Лазерная и биомедицинская техника 4 страница

.

Пусть на движущуюся со скоростью частицу падает плоская волна с волновым вектором (рис. 2.2). Выделим рассеянную волну с волновым вектором , распространяющуюся под углом 2a к направлению волнового вектора .

Для наблюдателя в системе отсчета, связанной с движущейся рассеивающей частицей, частота падающей световой волны равна:

.

Частота света для неподвижного наблюдателя: ,

тогда выполняя подстановку, получим: .

Следовательно, в рассеянной волне имеет место доплеровский сдвиг частоты, равный скалярному произведению вектора скорости частицы на разность волновых векторов рассеянной и падающей волн.

Доплеровский сдвиг частоты:

Как следует из рис. при V/c<<1

и

(т.к. D равносторонний), тогда:

.

Здесь - проекция вектора скорости на направление разностного вектора .

Коэффициент находится через известные параметры оптической схемы (угол 2a) и известную длину волны лазерного излучения . Поэтому измерение доплеровского сдвига частоты дает информацию о скорости:

Максимальный доплеровский сдвиг частоты получается при 2a = 180⁰, j = 0 и составляет .

Основные оптические схемы ЛДА

1.Схемы с опорным пучком (рис. 2.3);

2.Дифференциальные схемы;

3.Инверсно-дифференциальные схемы.

Рис. 2.3. Схемы с опорным пучком

Этим схемам соответствует уже рассмотренная схема лучей (рис.2.4).

В исследуемую область движущейся среды направляется один лазерный пучок. Выделенная под углом к направлению падающего пучка рассеяная волна посылается на фотоприемник, работающий в режиме фотосмешения. В качестве референтного пучка используется часть падающего. Источником освещающего и опорного пучков обычно служит один и тот же лазер.

Приведенные схемы отличаются способом формирования референтной световой волны.

a) - референтный пучок не проходит через исследуемую среду.

Достоинство: отсутствует влияние исследуемой среды на структуру опорного пучка.

Недостатки: большое число оптических элементов, что усложняет юстировку устройства.

b) и c) - референтный пучок, формируется из падающего, прошедшего через исследуемую среду.

Выделенный, рассеяный и опорный пучки пространственно совмещаются и направляются на фотоприемник.

Совмещение в этих системах выполняется наклонной плоскопараллельной пластиной, в которой опорная волна испытывает двойное отражение. Эта разновидность схем реализуется обычно меньшим числом оптических элементов. Особенностью является влияние рассеивающей среды на структуру референтного пучка.

Схема на рис.2.3. b отличается от рис. 2.3.c инверсией направлений световых пучков, при которых источник и приемник меняются местами.

Достоинство схемы 2.3.b заключается в возможности визуального контроля за локализацией объема, по которому усредняется результат измерения. Этот объем находится в области пересечения освещающего и референтного пучков.

Пример реализации дифференциальной схемы (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Дифференциальная схема

В исследуемую область направляются два лазерных пучка, примерно одинаковой мощности. Рассеяное излучение собирается приемным объективом и попадает на ФП.

Геометрия оптических пучков, соответствующая дифференциальной схеме, представлена на рис. 2.6.

Доплеровские сдвиги частоты в пространственно-совмещаемых волнах, рассеяных от первого и второго падающих пучков:

Рис. 2.6. Геометрия оптических пучков для дифференциальной схемы

,

Эти волны оптически смешиваются на фотоприемнике, электрический сигнал с выхода которого имеет составляющую разностной частоты:

Следовательно, в дифференцмальной схеме доплеровский сдвиг частоты пропорцианален проекции вектора скорости рассеивающей частицы на вектор, равный разности волновых векторов падающих световых пучков. Варьируя последнее соотношение, получим:

В скалярной форме получим соответственно для этих выражений:

и .

Отличительным свойством дифференциальных схем ЛДА является независимость результата измерений доплеровского сдвига частоты от приемной апертуры, ограничивающей рассеянное излучение. Результат измерения определяется геометрией освещающих пучков.

Визуализация области, в которой выполняются измерения, осуществляется пересечением падающих пучков, что является достоинством дифференциальной схемы (рис.2.7).

Работа дифференциальной схемы может быть описана простой интерференционной моделью. Пересечение двух когерентных оптических пучков в исследуемой области движущейся среды образует интерференционную картину с периодическим пространственным распределением интенсивности результирующего поля. Ширина интерференционной полосы

, т.к. ,

где – угол между интерференционными углами.

Излучение, рассеяное частицей, движущейся в интерференционном поле со скоростью V, модулированно по интенсивности. Частота модуляции равна обратной величине времени пересечения частицы одной интереференционной полосы:

Выходной сигнал имеет вид (вид осциллограммы) (рис. 2.8):

Инверсно-дифференциальная схема.

Если в дифференциальной схеме источник излучения и приемник поменять местами, получится инверсно-дифференциальная схема (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Инверсно-дифференциальная схема

В исследуемую область направляется один лазерный луч. Выделенные под углами a₁ и a₂ к направлению падающего рассеянные пучки пространственно совмещаются и направляются на ФП, работающий в режиме оптического смешения.

Разностный доплеровский сдвиг частоты в инверсно-дифференциальной схеме не зависит от геометрии падающего пучка и определяется только геометрией рассеянного излучения.

Измеряемый доплеровский сдвиг частоты пропорционален проекции вектора скорости на разностный вектор, построенный на волновых векторах выделенных рассеянных пучков (рис. 2.10).

2.3. Лидары

Интенсивные исследования в области дистанционного зондирования показали, что лидар является одним из наиболее перспективных инструментов исследования атмосферы и контроля загрязнений атмосферы по сравнению с традиционными методами.

Термин лидар в общем случае является аббревиатурой английского выражения light identification, detection and ranging (оптическая идентификация, обнаружение и локация). В состав лидарной системы входят лазерный передатчик (чаще всего импульсный), который для обеспечения хорошего разрешения по дальности должен испускать импульс очень малой длительности. Излучение, рассеянное в исследуемом объеме, собирается телескопом и регистрируется чувствительным фотоприемником. В лидарной системе необходим также элемент, осуществляющий частотную дискриминацию собираемых сигналов. Этот элемент выделяет излучение с заданной длиной волны из общего принимаемого излучения. Таким элементом может быть интерференционный узкополосный фильтр с высоким уровнем режекции помехи, а в ряде случаев ‑ монохроматор. Оптические сигналы после оцифровки поступают в компьютер для обработки и сохранения.

Одноволновый лидар, являющийся простейшим видом лидара, позволяет получить информацию о вертикальных профилях объемного коэффициента ослабления, прозрачности атмосферы, границах нижней и верхней кромки облаков. Однако информация, полученная с такого лидара, очень ограничена, поскольку она не позволяет идентифицировать и определить параметры аэрозоля. Поэтому в последние годы были предприняты многочисленные попытки расширения возможностей лидаров путем увеличения числа длин волн, используемых для зондирования и измерения деполяризации рассеянных сигналов. Многоволновый лидар позволяет определить как распределение частиц по размерам, так и показатель преломления. Измерение деполяризации открывает принципиально новые возможности в лидарном зондировании. Деполяризация может быть обусловлена эффектами многократного рассеяния или при однократном рассеянии несферичностью частиц. Таким образом, измерение деполяризации при малых оптических толщинах облака, когда эффектами многократного рассеяния можно пренебречь, позволяет определить фазовое состояние облака (водное или кристаллическое).

В последние годы лидары активно применяются для экологического мониторинга атмосферы. Основными направлениями развития лидарного зондирования являются метод дифференциального поглощения и метод комбинационного рассеяния. Значительный прогресс в области лидаров связан с использованием романовского метода, при помощи которого регистрируются сигналы упругого (на длине волны исходного излучения) и неупругого рассеяния (на длине волны КР исследуемого газа).

В последние годы значительный интерес проявился к лидарам с переменным полем зрения. Эти лидары позволяют анализировать сигналы, связанные с многократным рассеянием. Такой подход позволяет определить эффективный размер частиц в облаках.

Взаимодействие лазерного излучения с атмосферой характеризуется разными физическими эффектами и процессами. В настоящее время методы лазерного зондирования основываются на таких процессах, как рэлеевское рассеяние, комбинационное рассеяние, рассеяние Ми, резонансное рассеяние, флуоресценция, поглощение, а также дифференциальное поглощение и рассеяние (ДПР). Описание используемых для лазерного зондирования методов приведено в таблице 4.

Таблица 4

Методы лазерного зондирования

Метод	Физическое описание
Рэлеевское рассеяние	Лазерное излучение, упруго рассеянное атомами или молекулами, наблюдается на исходной частот.   Основной уровень
Рассеяние Ми	Лазерное излучение, упругорассеянное малыми частицами (размер которых сравним с длиной волны излучения), наблюдается на исходной частоте.
Комбина-ционное рассеяние	Излучение, рассеянное молекулами, наблюдается с некоторым частотным сдвигом, характеризующим данные молекулы (hv - hv = E).
Резонансное рассеяние	Лазерное излучение на частоте определенного перехода в атоме рассеивается с большим сечением и наблюдается на исходной частоте.

Флуоресцен-ция	Лазерное излучение на частоте определенного электронного перехода в атоме или молекуле претерпевает поглощение с последующим излучением на более низкой частоте; столкновительное затухание может уменьшить эффективное сечение этого процесса; в молекулах наблюдается широкополосное излучение. Основной уровень
Дифферен-циальное поглощение и рассеяние (ДПР)	Дифференциальное ослабление двух лазерных пучков определяется по их сигналам обратного рассеяния; при этом частота излучения в одном из пучков настраивается близко на частоте данного молекулярного перехода, в то время как частота второго - несколько в стороне от частоты перехода.

Комбинационный процесс можно рассматривать как неупругий процесс, при котором лазерное излучение вызывает переход молекул на виртуальный уровень с последующим мгновенным (10^-14 с) излучением на длине волны, отличающейся от лазерной. Разность энергий падающего и испущенного фотонов является характеристикой рассеивающей молекулы и обычно соответствует изменению колебательного квантового числа на единицу. Поскольку величина сечения комбинационного рассеяния незначительна, чувствительность этого метода весьма ограничена, что существенно сужает его применение. Наиболее вероятным представляется применение комбинационного рассеяния для дистанционного исследования газовых выбросов трубами промышленных предприятий, в которых концентрации составляющих компонентов могут быть довольно высокими.

В тех случаях, когда возбуждающая частота близка к частоте разрешенного перехода, сечение рассеяния может существенно возрасти (по крайней мере, в 10³ раз). Оно будет иметь вид резонансного комбинационного рассеяния. Однако в этом случае повышение чувствительности при таком рассеянии не удается реализовать из-за сильного поглощения как падающего, так и рассеянного излучения. Отличительной особенностью этого метода рассеяния является тот факт, что он позволяет определить отношение концентраций любой составляющей к некоторому опорному газу (например, азота) по отношению комбинационных сигналов при условии того, что отношение сечений неизвестно.

Наиболее перспективным является метод, использующий Ми-рассеяние. Сечения Ми-рассеяния также могут быть очень большими, и даже незначительное количество рассеивающих частиц размером порядка длины волны лазерного изучения может дать сигнал рассеянного излучения, полностью перекрывающий сигналы, обусловленные рэлеевским или комбинационным рассеяниями, что позволяет зарегистрировать довольно малые концентрации частиц пыли или аэрозолей. В случае резонансного рассеяния сечение процесса имеет большое значение. Однако затухание возбуждений при столкновении с более распространенными компонентами атмосферы обычно приводит к тому, что сигнал становится слабым; вследствие этого наиболее эффективно данный метод может работать для определения малых составляющих в верхних слоях атмосферы. При использовании молекулярной флуоресценции столкновительное затухание возбуждений молекул также оказывает вредное воздействие, приводящее к уменьшению регистрируемого сигнала. Широкополосная природа молекулярной флуоресценции является причиной низкого значения отношения сигнала к шуму; при этом основной вклад в шум дает фоновое излучение. Возрастание продолжительности флуоресценции приводит к ухудшению пространственного разрешения.

По своему значению сечение поглощения обычно существенно превышает как эффективное сечение флуоресценции, так и сечение комбинационного рассеяния. Поэтому этот метод измерения средней концентрации определенной компоненты, основанный на ослаблении пучка лазерного излучения фиксированной частоты, является очень чувствительным для соответствующей линии поглощения исследуемого вещества.

Для того чтобы выделить вклад поглощения интересующей нас молекулы в ослабление лазерного пучка, обычно применяется метод так называемого дифференциального поглощения. В этом случае используется две частоты: одна в центре полосы поглощения интересующей нас молекулы, а другая ‑ на крыле этой линии. Спектры поглощения большинства молекул, представляющих интерес для дистанционного зондирования, находятся в ИК-области спектра и соответствуют колебательно-вращательным переходам. Как правило, в этом случае используется бистатическая схема лидара. Однако при соответствующем использовании отражателей или топографических рассеивателей возможна работа моностатического лидара. К сожалению, низкое пространственное разрешение и малая чувствительность ИК-детекторов ограничивают область применения таких устройств. Высокие чувствительность и пространственное разрешение могу быть получены при сочетании дифференциального поглощения с рассеянием. Впервые этот метод был предложен для дистанционного определения содержания водяного пара в атмосфере. Он базируется на сравнении двух обратно рассеянных лазерных сигналов: одного ‑ на частоте линии поглощения интересующей молекулы, а другого ‑ на крыле линии. В этом случае пространственное сечение и сильные сигналы на используемых частотах обуславливаются большими сечениями рассеяния Ми, а отношение сигналов дает требуемую оценку дифференциального поглощения. Благодаря этому метод ДПР обладает наилучшей чувствительностью при зондировании определенных молекулярных составляющих с больших расстояний.

Сравнительно невысокая чувствительность ИК-детекторов делает методы, основанные на флуоресценции и ДПР, более пригодными для зондирования молекул, имеющих полосы поглощения в видимой и ближней УФ-областях спектра. В последнее время широкое распространение получил ДПР лидар, используемый во всех видов лазерной дистанционной техники, основанной на дифференциальном поглощении.

Измерение упругой деполяризации расширяет возможности зондирования, поскольку она позволяет определить форму аэрозоля (сферическая или нет) и, как следствие, его фазу: твердую или жидкую. Известно, что деполяризованные эффекты в моностатическом лидаре проявляются при обратном рассеянии вследствие либо несферичности частиц, либо эффектов многократного рассеяния. Однако при зондировании с помощью бистатического лидара добавляется другая причина деполяризации, связанная с эффектом глории (эффект деполяризации при рассеянии под углом).

Основные принципы лидарного зондирования

В приближении однократного и упругого рассеяния лидарное уравнение задается следующим уравнением:

где - мощность рассеянного излучения полученная за время t=2 ; z- дальность до рассеивающего объёма; с-скорость света; τ-длительность лазерного импульса; Р_о -мощность лазера; η-фактор эффективности приемника; λ_о-длина волны лазера; β_λ-объёмный коэффициент обратного рассеяния атмосферы; A_t-эффективная площадь приемника; -объёмный коэффициент ослабления (экстинкции) атмосферы.

Коэффициент ослабления можно представить в виде суммы членов, описывающих молекулярное а^мол и аэрозольное а^аэр ослабления.

Также можно представить коэффициент рассеяния β_λ в виде суммы двух членов, описывающих молекулярное β^мол и аэрозольное β^аэр рассеяния.

Коэффициенты молекулярных рассеяния β^мол и ослабления а^мол можно рассчитать с хорошей точностью на основе либо теории рассеянии Рэлея, либо используя модель атмосферы. Коэффициенты аэрозольных рассеяния β^аэр и ослабления a^аэр можно определить либо теоретически, на основе теории аэрозольного рассеяния (теория Ми), либо практически, из лидарных сигналов, на основе алгоритмов решения лидарного уравнения.

Коэффициент A_t(z) зависит только от характеристик приемника и передатчика. В особенности он зависит от пространственного распределения мощности в лазерном пучке и перекрытия между лазерным пучком и полем зрения телескопа. Этот фактор тоже включает влияние тени вторичного зеркала телескопа, оптическую аберрацию, неоднородность поверхности детектора и эффективную площадь телескопа.

Для решения лидарного уравнения, т.е. получения профилей коэффициентов ослабления или рассеяния, существуют разные методы: метод наклона, метод Клетта, метод Ковалёва и метод Рамана. Каждый из этих методов имеет свою область применения и соответственно свои преимущества и недостатки.

Структурная схема лидара

В состав лидарной системы входит лазерный передатчик (чаще всего импульсный), который для обеспечения хорошего разрешения по дальности должен испускать импульсы очень малой длительности (рис. 2.11).

Рассеянное в исследуемом объёме излучение собирается телескопом и регистрируется чувствительным фотоприёмником. В лидарной системе необходим также элемент, осуществляющий частотную дискриминацию собираемых сигналов. Этот элемент выделяет из всего принимаемого сигнала излучение с заданной длиной волны. Таким элементом может служить интерференционный узкополосный фильтр с высоким уровнем режекции помехи, а в ряде случаев – монохроматор. Оптические сигналы после оцифровки поступают в компьютер для обработки и сохранения.

Рис. 2.11. Принципиальная схема лидара: передающая часть (а), приемная часть (б) и система управления (в).

Лидарные системы подразделяются по своей компоновке на бистатические и моностатические. У бистатического (трассового) лидара излучатель и приемник расположены на противоположных сторонах исследуемого объекта. Этот прибор предназначен для проведения постоянного контроля за состоянием атмосферы в определенном направлении, например, в горнодобывающих карьерах или нефтяных скважинах.

Моностатический лидар расположен на одном месте базирования (стационарное, автомобильное шасси, борт самолета или вертолета, космический корабль). Для возвращения зондирующего излучения используется либо Ми – рассеяние, либо зеркало или отражение от естественных топографических объектов – зданий, деревьев, поверхности земли или воды. Такие лидары обладают высокой мобильностью и могут исследовать значительные пространства.

Рис 2.12. Схема лидара (а) и временной ход лидарного сигнала P(t) (б): И — источник, П — приемник, τ_и— длительность лазерного импульса,(2q_и) — расходимость лазерного пучка,(2q²_п)— поле зрения приемника, Z_d- мертвая зона, Z_ф — переходная зона или зона действия ФГФ лидара, do — параллакс или база лидара, δ — наклон между осями лазера и телескопа.

Наиболее эффективным является моностатический лидар, использующий для возвращения излучения различные оптические процессы, происходящие в самом исследуемом объекте. В этом случае возникает возможность не только определить состав примесей в атмосфере, но и по задержке светового импульса относительно исходного лазерного импульса определить расстояние до объекта. Лидарные системы также подразделяются по своим типам передающей и/или приемной части на моноаксиальные и биаксиальные. У моноаксиального лидара объектив телескопа работает как передающая и приемная часть одновременно. А у биаксиального лидара обе части разделены, а расстояние между осями двух частей является базой лидара. Эта база имеет поперечный размер d₀, который указан на рисунке 2.12.

Передающая часть. Передающая часть лидара состоит из одного или нескольких лазеров и оптической системы. Мощный лазерный импульс на одной или нескольких частотах корректируется передающей оптической системой и направляется на мишень. Передающая оптическая система в основном решает три задачи: улучшает коллимацию светового пучка, осуществляет пространственную фильтрацию пучка и отсекает любое нежелательное излучение, включая побочное излучение лазеров. Следует отметить, что иногда начальный участок лазерного импульса специально модулируется для маркировки момента начала отсчета времени и нормировки интенсивности полезного сигнала. Нормировка производится в случае плохой воспроизводимости параметров выходных лазерных импульсов, а также контроля длины волны лазерного излучения в тех случаях, когда это необходимо.

Приемная часть. В состав приемной части входят: приемный объектив (телескоп), спектральный и/или пространственные фильтры, поляризационный элемент и фотодетектор. Обычно используются зеркальные объективы, самые популярные из них представлены на рис. 2.13. Излучение, отраженно-рассеянное от исследуемого объекта, концентрируется приемной оптикой (телескопом), затем проходит через анализатор спектра. Этот прибор служит для выделения интервала длин волн, в котором проводятся наблюдения, и, следовательно, для отсечки фонового излучения на других длинах волн. Анализатор спектра может представлять собой либо сложный тщательно настраиваемый моно- или полихроматор, либо набор узкополосных фильтров, включая фильтр отсечки излучения на длине волны лазерного передатчика. Последний используется, если упруго рассеянный свет не представляет интереса.

Тип фотодетектора определяется спектральной областью наблюдений, которая в свою очередь зависит от спектрального диапазона работы используемого лазера. Если фотоумножитель в лидарах УФ и видимой области отлично решает проблему детектирования отраженного сигнала, то в ИК-области (от 0,8 мкм) только тепловые и фотоэлектрические полупроводниковые приемники работают удовлетворительно. На рис. 4 представлены основные виды детекторов, используемые в лидарах, ‑ диоды (ФД) и фоторезисторы (ФР). В настоящее время в лидарах используются охлаждаемые жидким азотом, а иногда неохлаждаемые фотоприемники на основе тройных полупроводниковых соединений Hg_xCd_1-хTe.

Рис. 2.13. Основные объективы, используемые в лидарных системах: Ньютона (а), Григории (б), Кассегрена (в)

Система управления. Задачи, которые стоят перед системой управления, регистрации и обработки информации, представляют собой:

1) управление режимом работы лидара;

2) управление частотой зондирующего излучения лазера;

3) измерение энергии излучения в выходящем и принимаемом двухчастотном лазерном пучке на обеих частотах;

4) обработку результатов, т.е. получение спектральных характеристик атмосферы, определение наличия и концентрации примесей по имеющимся в базе данных компьютера «спектральным портретам» молекул;

5) управление системой наведения лидара на исследуемый объект.