автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Спектральные измерения в оптическом диапазоне с передачей анализируемых сигналов по оптическому волокну

На правах рукописи

Калинин Владимир Анатольевич

Спектральные измерения в оптическом диапазоне с передачей анализируемых сигналов по оптическому

волокну

специальность 05.13.01. - Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

Научный руководитель: кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Москалец Олег Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Красюк Владимир Николаевич доктор физико-математических наук,

профессор Лавров Александр Петрович

Ведущая организация: ФГУП "НИИ"Вектор"

Защита состоится « » мая 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.233.02 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 67, (ГУАП).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУАП.

Автореферат разослан » апЬели_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Л006&

23,30 з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В физике и технике спектральные методы и приборы принадлежат к числу наиболее распространенных, и в настоящее время нет видимых причин, которые бы привели к изменению этого положения. Анализ гармонического спектра относится к числу важнейших физических измерений, а также выполняется в тех случаях, когда изучение сигналов как функций времени не дает достаточно ясного представления о физических процессах, протекающих в источниках сигналов.

Чрезвычайно широкое распространение приборов для измерения гармонических спектров обусловлено важностью и разнообразием получаемой с их помощью информации, как в фундаментальных исследованиях строения материи, так и при решении прикладных задач.

Особенно велика роль гармонического анализа в спектроскопии, где получаемая информация заключена в функции распределения энергии электромагнитного излучения по частотам. Эта информация извлекается с помощью спектральных приборов (СП), выполняющих гармонический анализ. При спектроскопических измерениях СП исследуют электромагнитное излучение как сигнал, посылаемый материей и несущий информацию не только о химическом составе вещества, но и об его агрегатном состоянии, температуре, о физических и химических процессах, происходящих в нем, а также о физических свойствах среды, через которую распространяется излучение. Таким образом, СП во многом являются инструментами для изучения микромира.

Спектроскопические методы являются единственно возможными при изучении весьма удаленных или трудно доступных объектов. Отличительное качество этих методов состоит в том, что исследование объекта по спектрам испускания или поглощения не нарушает физических условий, существующих в этом объекте.

Все известные спектроскопические измерения в оптическом диапазоне выполняются в условиях непосредственного контакта СП с полем излучения источника. В то же время существует целый ряд актуальных задач, где спектроскопические измерения невозможно осуществить в таких условиях. К числу таких задач относятся контроль и управление различными технологическими процессами, протекающих в условиях повышенной температуры, влажности, агрессивной химической среды, повышенного уровня взрыво-опасности, например, процесс крашения текстильных материалов, процессы в металлургическом производстве, процессы высокотемпературного синтеза и пр.

Особый интерес представляет изучение процессов горения, где спектроскопические методы признаны наиболее информативными. Примерами таких процессов являются: процессы горения в двигателях внутреннего сгорания и реактивных двигателях. Важной задачей является оптимизация процессов горения в теплоэнергетических установках. Изучение процессов горения является актуальным в деле решения глобальной проблемы пожарной и

экологической безопасности, в,

„____________вгетак®.

5С. НАЦИОНл >>г Н Л БИБЛИОТЕК . ,

Экспериментальные исследования процессов горения позволят установить в рамках решения проблемы пожарной безопасности достоверные модели сигналов, генерируемых источниками горения, и помех, на фоне которых они действуют, что открывает путь для создания более совершенной аппаратуры раннего и достоверного обнаружения очагов пожара. Таким образом, исследования процессов горения лежат в русле решения задач экологической безопасности.

Изучение процессов горения представляет особую актуальность при решении проблемы безопасности полетов. Бортовая спектральная аппаратура мониторинга процессов горения в реактивном двигателе во время полета позволит формировать сигналы нештатной работы реактивного двигателя по спектру излучения факела.

Существующие оптические системы получения спектроскопической информации (СИ), построенные по традиционному принципу, оказываются непригодными для эксплуатации в отмеченных выше условиях и, следовательно, не способны решить указанные задачи. Это требует создания системы спектральных измерений оптического диапазона, удовлетворяющей специфическим условиям эксплуатации и оперативно выполняющей измерения. Решение поставленной задачи выдвигает необходимость нового принципа построения такой спектральной аппаратуры, где собственно спектральные измерения проводятся в штатных условиях эксплуатации СП. Такой принцип построения спектральной аппаратуры предлагается в данной диссертационной работе. Он состоит в передаче оптических сигналов-носителей СИ на вход СП с помощью оптической системы, которая исключает непосредственный контакт СП с полем излучения источника. Эта система включает формирующую оптику и оптическое волокно (ОВ). Наличие такой оптической системы влечет за собой потери СИ, обусловленные искажениями при вводе оптического излучения (ОИ) в ОВ и его распространении по ОВ, что требует додетскторной коррекции возникающих частотных искажений. Последнее требует применения соответствующих СП в составе измерительной системы.

В настоящее время наиболее подходящими СП в составе предлагаемой спектральной аппаратуры следует признать оптические СП, выполненные на базе акустооптического (АО) перестраиваемого фильтра (АОПФ). Только такие оптические СП позволяют в процессе спектральных измерений решить задачу додетекторной коррекции частотной характеристики оптического тракта всей измерительной системы в целом и оперативно выполнить спектральную обработку оптических сигналов по заданной программе.

Исследование и разработка предлагаемой в данной диссертационной работе спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ лежит в русле дальнейшего развития и совершенствования теории и техники оптической спектроскопии, что подчеркивает актуальность, проводимых в работе исследований.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка спектральной аппаратуры оптического диапазона, исключающей непосредственный контакт оптического СП с полем излучения источника.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачи:

1. Предложить принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона, с помощью которого возможно проведение спектральных измерений оптических сигналов таких источников, непосредственный контакт с полем излучения которых СП либо невозможен, либо нежелателен.

2. Разработать оптическую систему передачи анализируемых сигналов к СП и теоретически исследовать ее характеристики.

3. Теоретически исследовать спектральную обработку оптических сигналов СП, выполненным на базе АОПФ.

4. Предложить и исследовать метод коррекции частотных характеристик оптической системы передачи анализируемых сигналов по ОВ и АО взаимодействия.

5. Разработать лабораторный макет спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ и экспериментально исследовать его характеристики.

Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались: методы общей теории систем, теории сигналов, теории линейных систем, теории АО взаимодействия, электрооптические аналогии, методы теории возмущений, теории целых функций, теории гильбертовых пространств с воспроизводящими ядрами (ПТВЯ) и теории случайных процессов.

Научная новизна работы состоит в следующем: 1 Предложен новый принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ, позволяющий выполнять анализ спектров оптических сигналов, исключая непосредственный контакт СП с полем излучения источников.

2. Выведены аналитические выражения информационных потерь, возникающих в процессе ввода ОИ в ОВ, в зависимости от частоты ОИ.

3. Развита теория оптического СП на базе АОПФ, опирающаяся на методы теории возмущений, теории целых функций и теории ГПВЯ. Получены аналитические выражения, описывающие алгоритм спектральной обработки оптических сигналов в пространствах комплекснозначных и энергетических спектральных функций.

4. Установлены статистические свойства аппаратурного спектра при воздействии гауссова эргодического случайного процесса, позволяющие совершенствовать методы вероятностного анализа оптических сигналов.

5. Предложена и экспериментально проверена методика коррекции частотных искажений, возникающих в системе передачи оптических сигналов и АО взаимодействия, путем использования управляющего сигнала в виде амплитудно-модулированного колебания со ступенчатым изменением мгновенной частоты (СЧМ).

6. Экспериментально исследованы характеристики созданного лабораторного макета, и тем самым, подтвержден новый принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ, что открывает путь создания аппаратуры бесконтактной оптической спектроскопии.

(Пункты 1 и 5 защищены патентом РФ № 2239802)

Достоверность результатов подтверждается их непротиворечивостью законам физики и ранее известным положениям, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим и физическим моделированием, натурными испытаниями, а также практическим использованием части полученных результатов.

Практическая ценность:

1. Создан и экспериментально исследован лабораторный макет спектральной аппаратуры оптического диапазона, реализующий новый принцип ее построения и открывающий путь создания технических средств бесконтактной оптической спектроскопии различного назначения.

2. Разработана теоретическая база для создания аппаратуры по п. 1 с заданными характеристиками.

3. Получена математическая модель работы оптического СП на базе АОПФ с различными видами управляющих сигналов, позволяющая оптимизировать алгоритмы обработки энергетических спектров колебаний оптических источников.

4. Экспериментально подтверждена возможность додетекторной коррекции неравномерности частотных характеристик оптической системы передачи анализируемых сигналов по ОВ и АО взаимодействия.

5. На базе лабораторного макета спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ поставлены три демонстрационные лабораторные работы по курсам «Основы оптики» и «Основы теории оптических сигналов» на кафедре электроники и оптической связи ГУАП.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона, предназначенной для работы без непосредственного контакта оптического СП с полем излучения источников.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования оптической системы передачи анализируемых сигналов по OB, позволяющие моделировать данные системы с заданными характеристиками.

3. Теория работы оптического СП, выполненного на базе АОПФ.

4. Процедура коррекции частотных искажений в оптическом тракте спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по OB.

5. Результаты экспериментального исследования характеристик лабораторного макета спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по OB.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международной научной конференции «International Forum on Wave Electronics and Its Applications» (Санкт-Петербург, 2000 г.), на IV, V, VI, VII, VIH международных конференциях для молодых исследователей «Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems» (Санкт-Петербург, 2001-2004 гг.), на международной конференции по телекоммуникациям «IEEE/ICC2001/St.Petersburg» (Санкт-Петербург, 2001г.), на «16th European Frequency and Time Forum» (Санкт-Петербург, 2002 г.), на научной конференции «Лазеры, измерения, информация» (Санкт-Петербург, 2003 г), на научной конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, 2005 г.), на научной конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, 2006 г.), на Шестой, седьмой и восьмой научных сессиях аспирантов ГУАП (Санкт-Петербург, 20032005 гг.), а также обсуждались на научных семинарах «Системы обработки информации и управления» (2003-2004 г.) и на научных семинарах кафедры электроники и оптической связи ГУАП.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 печатных трудов, в том числе: 12 статей и 16 тезисов докладов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений. Общий объем - 133 страницы, включая 60 рисунков и 2 таблицы. Список используемой литературы содержит 85 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность темы диссертации, указаны ее цели и задачи, методы решения задач, научная новизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту

В первой главе показан традиционный принцип построения систем измерения оптических спектров, для которого характерен непосредственный контакт оптического СП с полем излучения источника (Рис.1) и выполнен обзор методов спектрального анализа и устройств спектральной обработки оптических сигналов.

Оптические волны

Получатель

спектрометрической информации

Рис. 1 - Традиционный принцип измерения оптических спектров

По результатам сравнительного анализа оптических СП сделан вывод о том, что применение оптического СП на базе АОПФ, в рассматриваемой спектральной аппаратуре, является в высшей степени предпочтительным. Выполнен обзор выпускаемых в настоящее время акустооптических СП, а также устройств ввода ОИ в ОВ. В результате установлено, что задача ввода лазерного узкополосного излучения в ОВ для решения связных задач является решенной, а вопрос ввода в ОВ широкополосного ОИ для решения спектроскопических задач остается открытым.

Рассмотрено современное состояние теории спектральных измерений и перечисляются те вопросы, которые требуют более детального изучения.

Во второй главе предлагается и рассматривается новый принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ (Рис.2).

Оптические ваяны

Источник кадсбакий

Параметры срсдо:

Т / 'С, 1"

агрессивная химия, прывоопасноапъ

-гн

Оптическое

V»

Пол)чатель

Оптический шектро-

спектральный метрической

прибор информации

L Граница раздела сред с благоприятными и неблагоприятными параметрами ¿и спектральной аппаратуры

Рис. 2 - Новый принцип измерения оптических спектров

Предложенный принцип реализуется с помощью оптической системы передачи сигналов-носителей спектрометрической информации 1 по ОВ

сигналов по ОВ.

Основными характеристиками оптической системы передачи являются:

1. Энергетическая частотная характеристика (ЭЧХ), под которой понимается частотная функция отношения квадратов модулей комплексных амплитуд выходного и входного светового поля. Причем, световые колебания рассматриваются на оптической оси измерительной системы.

2. Качество выходного оптического пучка 5 исследуемого ОИ, которое определяется его расходимостью (сходимостью), согласованностью его поперечных размеров с размерами диспергирующего элемента СП и амплитудно-фазовым распределением оптического фронта.

Под расходимостью или сходимостью выходного оптического пучка понимается следующее выражение (Рис 3):

ЭЧХ оптической системы передачи дается соотношением:

где (¿а) " ЭЧХ блока ввода ОИ в ОВ; у/ 1о(о>)" ЭЧХ ОВ; №т(а>) - ЭЧХ блока

вывода ОИ из ОВ; а - спектральная круговая частота.

Далее рассматриваются способы реализации процедуры оптического согласования между оптической системой передачи и диспергирующим элементом оптического СП. Приводится описание структурной схемы и примерный алгоритм работы блока, реализующего функции фотоприема, управления и синхронизации.

Третья глава посвящена математическому анализу оптической системы передачи анализируемых сигналов по ОВ. ЭЧХ блока ввода №1и{а>)

является самостоятельной частотной характеристикой, характеризующей информационные потери, возникающих в процессе ввода ОИ в ОВ, и определяется взаимным расположением торца ОВ и входной линзы / (Рис.4).

О - полный диаметр положительной линзы, • эффективный диаметр

литы, а. - угол падения оптических лучей с края линзы на торец ОВ, $• угол числовой апертуры ОВ, р - диаметр главного лепестка оптического поля в фокусе линзы, <3 - диаметр сердцевины ОВ, Ь - расстояние от точки схождения оптических лучей до фокуса линзы, Ь - расстояние от торца ОВ до центра линзы, 5 - расстояние от торца ОВ до точки схождения оптических лучей, вошедших в ОВ

Рис. 4 - Структурная схема блока ввода ОИ в ОВ.

Определение ЭЧХ блока ввода основано на зависимости фокусного расстояния входной линзы блока ввода от частоты ОИ.

Рассматриваются два случая распространения оптических лучей от линзы к торцу ОВ В первом случае, когда выполняются условия а>в и р < (I > входная линза называется короткофокусной, и ЭЧХ блока ввода имеет вид:

при - 26 < АКт(а>) < 0

где

Р,

блока.

0(д' + ЛГ„(<и))

+ АЯ.О»)-/=:(») /=■„<«.)'

I, 0-р(т))

, при 0 < < -13

- частота настройки

Во втором случае, когда выполняются условия а<в и р<а, входная линза называется длиннофокусной, и ЭЧХ блока записывается так:

П(6 + АРт(га))) '

при 0<АГт(а})<

2ЙЮ]

-б

-Ы

при 0>&рт(а>)>

-с/

при ^[а(а>)]>

гДе I-л а О-М-

На рис. 5 и 6 приведены ЭЧХ блока ввода ОИ в ОВ с короткофокусной и длиннофокусной входной линзой соответственно.

Математическое моделирование показало, что блок ввода является сравнительно узкополосной системой. Для расширения его полосы пропускания при фиксированном положении торца ОВ и размере входной линзы даются соответствующие рекомендации, которые, однако, не снимают актуальности задачи додетекторной коррекции неравномерности ЗЧХ оптической системы передачи в широком диапазоне оптических частот.

Структурные схемы блока ввода ОИ в ОВ и блока вывода ОИ из ОВ являются «зеркально идентичными», а их отличие заключается в том, что в качестве выходной линзы блока вывода ОИ из ОВ необходимо использовать только короткофокусную линзу. В этом случае зависимость фокусного расстояния выходной линзы блока вывода от частоты ОИ влияет не на ЭЧХ этого блока, а на качество выходного пучка ОИ.

Применение в спектральной аппаратуре оптического СП, выполненного на базе АОПФ позволяет выполнять додетекторную коррекцию сквозной ЭЧХ измерительной системы К'(т[ю) путем изменения

подводимой к его электрическому входу мощности управляющего сигнала.

С учетом этого функция модуляции мощности подводимого к АОПФ электрического управляющего сигнала в зависимости от его частоты: р Улкс&Чв У'рсозЩ),

а реализация соответствующего управляющего сигнала представляет собой самостоятельную техническую задачу.

В четвертой главе рассматривается работа оптического СП на базе АОПФ в двух аспектах: детерминистическом и стохастическом. В первом аспекте оптический СП рассматривается как линейная система под детерминированным воздействием, а во втором - как линейная система под стохастическим воздействием.

В рамках детерминистического аспекта получена математическая модель работы оптического СП на базе АОПФ, структурная схема которого

приведена на рис.7. В отличии от классических оптических СП такой прибор является нестационарной во времени системой.

X х\ Х2 *>л,>л2>2" Декартовы координаты, где

- координата, соответствующая спестралыюй частоте ОИ, 2/. - размер 3,(0 апертуры АОМ, д - угол дифракции,

т - номер дифракционного порядка,

________^ _ р - фокусное расстояние линзы,

/•" = /■' I д/г, д^ - смещение выходной плоскости относительно р,

управляющий сигнал радиочастоты, л выходной сигнал фотоприемного

устройства, несущий спектромстриче-скую информацию

Рис. 7 - Структурная схема оптического СП на базе АОПФ

Анализ работы такого СП выполняется в режиме дифракции Рамана-Ната в приближении слабого звука и заключается в нахождении двух интегральных операторов, комплексного и энергетического, ядрами которых являются соответствующие аппаратные функции (АФ). Под комплексной АФ понимается распределение светового поля в выходной плоскости СП в +1 дифракционном порядке при воздействии на его оптический вход плоской однородной монохроматической волны е{1,г) = ¿оехрф^-А'г!) •

Функция пространственно-временного распределения оптического поля на выходной грани АОМ (1) будет иметь вид:

(ж,/) = £о ехр(;[й>7 - к^ехр^а.?(/ - х/Г))-

Согласно электрооптическим аналогиям, функция пространственно-временного распределения оптического поля на левой поверхности линзы (2) записывается в форме:

Л(*|.0= }/,(*,ОехрОТ*-х,]гг,)Л' Г, =®'/2сГ-

Оптическое поле в выходной плоскости оптического СП:

" 1 .

и(ш',() ~ |ехр(Оехр()[дг-х1]гг1)ехр(»[л;, -х2]2 гг)4х4х, '

где Гг = й>'/2с(г + АР)\ /,(*,,/) = /2(*„0 Г(*,) - оптическое поле на правой поверхности тонкой положительной линзы (2); т(х1)=ех{^-1/к?) ~ функция пропускания линзы (2); р = к'/2К ■

Комплексная АФ оптического СП на базе АОПФ

к(а,ф',1) Оехр(([®> - * г}) ] - --)ехр(/{х+ 2хх,у, ]>&

-С V

является ядром линейного интегрального оператора, описывающего связь между входом ¿„(а/) и выходом ¡¡„(со,/) оптического СП при измерении комплексного спектра:

¿„(а1,1)=

Далее дается определение одной из важнейших метрологических характеристик любого СП - времени анализа, которое определяет ширину АФ оптического СП, а, следовательно, и его разрешающую способность.

Рассматриваются следующие управляющие сигналы АОПФ: гармоническое колебание, колебание с линейным изменением мгновенной частоты (ЛЧМ) и СЧМ колебания.

Комплексная АФ с управляющим гармоническим сигналом •НО = 50 ехрОШ) имеет вид:

¿»А

рс

где со ПЕс/Ух^ ~ временная спектральная частота в выходной плоскости оптического СП; т 12 _ ' половина времени анализа входного ОИ.

Общее выражение комплексной АФ при управляющем ЛЧМ сигнале ¿(/)= 50 ехр(/|р„7 + Л/ /2/2|) имеет вид:

Далее рассматриваются два случая упрощения этого выражения. В первом- из них полагается, что смещение выходной плоскости СП д^ = 0, а коэффициенты и ^ , определяющие скорость изменения мгновенной частоты управляющего ЛЧМ сигнала м = > удовлетворяют условию ^ ц «1, тогда:

АГ(а>,й/,/) = 20ехр(1[{П„ + М1/2}+е>'-к'г})5тс([а(,1)-а)%/2), (4-2) где <у(о = (П„ + М1)Рфх2 = (П„ + 1/Т0)Г0/Та - временная спектральная частота

в выходной плоскости оптического СП.

Из (4.2) следует, что время анализа ОИ оптическим СП являются таким же, как при управляющем гармоническом сигнале. При принятых выше допущениях время анализа не зависит от величины м, которая в данном случае определяет время сканирования диапазона анализируемых оптических

к(ю,о}',1) = 2£>ехр(/[П + <и' - /Гг]/)&лс

Ш-с

Ух, '

частот т = ш,!М Это существенно отличает оптический СП на базе

АОПФ от последовательных радиочастотных спектральных анализаторов с перестраиваемым резонатором, у которых разрешающая способность непосредственно связана со временем д^ =ау]2кш/Т1 > гДе а = ъ 5 в зависимости

от вида резонансной системы.

Во втором случае, когда коэффициенты ^ и ^ не удовлетворяют условию малости, комплексная АФ будет описываться тем же выражением (4.2) только для одной оптической гармоники частоты для которой АГ = -МР2с/о/Уг ■ Для всех остальных оптических гармоник комплексная АФ будет вычисляться через интегралы Френеля. Проведенное теоретическое исследование показало, что и в этом случае анализ спектра ОИ оптическим СП на базе АОПФ допустим. В режиме работы с управляющим ЛЧМ сигналом практическая реализация додетекторной коррекции ЭЧХ оптического тракта измерительной системы затруднительна.

Один из путей упрощения процедуры коррекции ЭЧХ оптического тракта и формирования самого управляющего сигнала заключается в замене ЛЧМ сигнала СЧМ управляющим сигналом:

/-1

Где ехр(*1Я'+ МО-!>...л]. М М О, [0 -!>., А]

АФ оптического СП сильно зависит от значений случайных начальных фаз р смежных элементарных импульсов ^ (,). Один из путей устранения влияния случайных ^ на характеристики оптического СП заключается в увеличении длительности элементарных импульсов , до величины / > г0 •

Комплексная АФ оптического СП на базе АОПФ с таким управляющим СЧМ сигналом будет формироваться из отсчетов, взятых в моменты времени / = .// - /2 и описывается выражением.

К(о)',1,т) = D'T;SJ ехр(/[(й>' +

= ,а/)ех р(([(<а' + ]- к'г])

—--а

гДе со =п Т„/Та - временная спектральная частота в выходной плоскости оптического СП, соответствующая частоте ] -го элементарного импульса.

Выполнен переход от комплексных спектральных функций к энергетическим спектральным функциям. Квадрат модуля комплексного аппаратурного спектра в точке его регистрации в течение у-го элементарного импульса управляющего СЧМ сигнала записывается так:

где ¿(а )',/) - комплексная АФ оптического СП на базе АОПФ при управляющем СЧМ сигнале; н(а') - комплексная передаточная функция оптической части спектральной аппаратуры; ¿„(а/) - комплексный спектр входного ОИ.

За время накопления ^ </<./(„ +Тг на выходе фотоприемного устройства формируется оценка энергетического аппаратурного спектра:

т~

Подстановка (4.4) в (4.3) и применение методов теории целых функций и теории ГПВЯ дает следующий результат:

(Т(й>у)= | ск о,, «")С„ (ш">г;т V®"' (4-5)

гДе Ок(й)(,о")=; ■ энергетическая АФ оптического СП на базе АОПФ

при управляющем СЧМ сигнале; Он(а>")=]Н(а)")\2 - ЭЧХ оптического тракта спектральной аппаратуры; Са(ю") - энергетический спектр входного ОИ

Комплексная АФ при управляющем ЛЧМ сигнале и м м «1 имеет

вид:

Т.

К (а,!, Г) * ехр(([{п„ + й)Х'- <")])-

2 • (4 6)

' в

Подстановка (4.6) в (4.3), (4.4) дает линейный интегральный оператор:

В рамках стохастического аспекта рассмотрена обработка оптическим СП на базе АОПФ случайного процесса:

М

где все слагаемые являются гаусовскими эргодическими гармонизуемыми случайными процессами, представимыми в форме интеграла Фурье-Стилтьеса; х,(/) - анализируемые узкополосные сигналы; хК(е) • широкополосная помеха с равномерным энергетическим спектром.

Анализ прохождения процесса (4.7) опирается на представление (4.1) в форме интеграла Стилтьеса:

5„(й>,/)= |л:(й)>й),,/)5«(<иУ©'= ¡к(а>,0>',1^ к(а>')' который при воздействии (4.7) принимает вид:

(4.8)

Статистические свойства случайной спектральной функции (4.8) устанавливаются на основе ее ковариации:

гДе с12Г(а',а-) = 1^<1г(ш')<1к'(а>й)^ Е

Е - оператор математического ожидания.

Полученные комплексные АФ являются целыми функциями экспоненциального типа. Поэтому ковариация (4.9) имеет частные и смешанные частные производные по и а" любого порядка, следовательно случай-

ная спектральная функция (4.8) бесконечно дифференцируема почти наверное.

Для данного случайного процесса выражение (4.9) принимает вид:

во я ш в 4 2

|\К(т,а>,,1)К*{т,о>\1)Ип{а>,)з{1о'-т"'^со,с1са"= \ К(а>,а',>) (/»'>&>"

где /у („/) - спектральная плотность входного ОИ.

Далее показано, что смещение оценки энергетического спектра ОИ на выходе АО СП существует на каждой спектральной частоте.

В пятой главе приводятся результаты экспериментального исследования характеристик лабораторного макета спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ.

Получены энергетические АФ при различных видах ОВ. При многомодовом ОВ и ширине щелевой диафрагмы фотоприемного устройства А^/= \ 0мкм, разрешающая способность спектральной аппаратуры составляет &Л = 6,1 нм> а при одномодовом ОВ и .V -5мкм, АЛ = 2,2им- Исследование модуляционных характеристик показало, что при многомодовом ОВ величина коррекции неравномерности сквозной ЭЧХ оптического тракта измерительной системы достигает 20 дБ, а при одномодовом более 10 дБ.

Приводятся результаты экспериментального исследования энергетической характеристики блока ввода ОИ в ОВ, которые подтверждают состоятельность полученых математических моделей ЭЧХ этого блока.

Показан результат анализа лабораторным макетом спектра излучения лампы накаливания, который еще раз подтверждает состоятельность математической модели ЭЧХ блока ввода ОИ в ОВ. Экспериментально получены зависимости ширины энергетической АФ и чувствительности спектральной аппаратуры от размера щелевой диафрагмы.

Приводятся фотографии лабораторного макета спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ, а также фотография АОПФ, как составной его части.

В приложении 1 рассматривается чувствительность спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ. Получены ее зависимости от ширины щелевой диафрагмы фотоприемного устройства, а также от мощности управляющего сигнала. Приводится пример расчета чувствительности рассматриваемой спектральной аппаратуры для конкретного типа фотоприемного устройства.

В приложении 2 проводится анализ комплексной АФ оптического СП на базе АОПФ при управляющем СЧМ сигнале с короткими элементарными импульсами. В результате установлено, что вид АФ при таком управляющем сигнале сильно зависит от значений начальных фаз ^ элементарных импульсов. Приводится методика расчета параметров управляющего сигнала для случая, когда <р1 - 0.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы:

1) Впервые предложен принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона, исключающий непосредственный контакт оптического СП с полем излучения источника. Предложенный принцип позволяет создать спектральную аппаратуру оптического диапазона, способную решать ряд актуальных задач, таких как:

1. Повышение безопасности полетов воздушных судов.

2. Экологическая безопасность производств.

3. Изучение динамики пожаров.

4. Оптимизация процессов горения в топках теплоэнергетических установок

5. Автоматизация и контроль за различными технологическими процессами, протекающих в условиях повышенной температуры, влажности и агрессивной химической среды.

2) Впервые предложена процедура ввода широкополосного ОИ в ОВ и проанализированы характеристики системы, ее реализующей. Тем самым обеспечена возможность определения информационных потерь при спектральной обработке сигналов оптического диапазона.

3) Предложена и экспериментально проверена методика коррекции частотных искажений, возникающих в оптическом тракте СП, путем использования управляющего амплитудно-модулированного СЧМ сигнала. Экспериментальные исследования показали возможность коррекции ЭЧХ до 20 дБ. Полученные соотношения позволяют провести дальнейшую коррекцию результатов спектральной обработки численными методами.

4) Проанализировано преобразование гармонизуемого случайного процесса оптическим СП, выполненным на базе АОПФ, что позволяет определить соотношение сигнал/шум на его выходе.

5) Аналитически показано, что действие оптического СП на базе АОПФ может быть описано с применением энергетических спектральных функций, что позволяет использовать традиционные оптические методы для анализа процесса спектральной обработки оптических сигналов всей измерительной системой в целом.

6) У оптического СП, выполненного на базе АОПФ, установлены две временных характеристики процесса обработки анализируемых сигналов: время сканирования и время анализа, которое является важнейшей метрологической характеристикой любого СП.

7) Создан лабораторный макет, экспериментально исследованы его характеристики и подтвержден принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по OB, что открывает путь создания технических средств бесконтактной оптической спектроскопии различного назначения.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. В. А. Калинин, О. Д. Москалец, JI. Н. Пресленев. Патент 2239802 РФ, МКИ G 01 J 3/00. Анализатор спектра сигналов оптического диапазона. 2004.

2. V. A. Kalinin, О. D. Moskaletz. Researches of spectrum spread function of harmonics analyzer in optical range. Int. Forum on Wave Electronics and Its Applications. 3rd Int. Conf. for Yong Researches on Acoustoelectronic and Acoustooptic Information processing. Proc. 2000. St. Petersburg. P. 122-126.

3. Калинин B.A., Москалец О.Д. Исследование аппаратных функций спектрального анализатора на базе акустооптического перестраиваемого фильтра со специальным управляющим сигналом. Proc. ICC 2001. St. Petersburg, 2001. P. 79-83.

4. V. A. Kalinin, О. D. Moskaletz. Power spectrum estimation of optical signal by spectrum analyzer on the base of acoustooptic tunable filter. IV Int. Conf. for Young Researchers. Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems. Proc. 2001. St. Petersburg. P. 96-99. г

5. V. A. Kalinin, O. D. Moskaletz. Researches of certain characteristics of spectrum analyzer of optical range based on acoustooptic tunable filter. 16th European Frequency and Time Forum, Proc. StPetersburg. 2002. Pp. G-015-G-017. '

6. V. A. Kalinin, O. D. Moskaletz. Spectral measurement of optical radiations by acoustooptic methods. VI Int. Conf. for Young Researchers. Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems, Proc. 2003. St. Petersburg. P. AP27-AP31.

7. N. M. Dashkovsky, V. A. Kalinin, O. D. Moskaletz. Frequency distortions in the lens-optical fiber system. VI Int. Conf. for Young Researchers. Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems, Proc. 2003. St. Petersburg. P. CP11-CP16.

8 В. А. Калинин. Исследование характеристик спектрального прибора оптического диапазона на базе акустооптического перестраиваемого фильт-ра.//Шестая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл./ СПГУАП. СПб., 2003, стр. 102-105.

9. V. A. Kalinin, О. D. Moskaletz. Spectral measurement of optical radiations by acoustooptic methods. Proc. SPIE. Vol. 5381. 2003. Pp. 243-252.

10. В. А. Калинин. Оптоволоконная система ввода оптического излучения в аппаратуру спектрального анализа.//Седьмая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл./ СПГУАП. СПб., 2004, стр. 86-88.

11. V. A. Kalinin, V. V. Kludzin, О. D. Moskaletz, L. N. Preslenev. Spectral measurements in an optical range with transfer of the spectroscopic information by the optical fibre communication link. VII Int. Conf. for Young Researchers. Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems, Proc. 2004. St. Petersburg. P. BP36-BP40.

12. V M. Gnidyk, N. M. Dashkovsky, V. A. Kalinin, O. D. Moskaletz. Optical system of transfer of the spectroscopic information by the optical fibre communication link. VII Int. Conf. for Young Researchers. Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems, Proc. 2004. St. Petersburg. P. BP55-BP61.

13.B. А Калинин. Комплекс спектральных измерений в оптическом диапазоне с передачей спектроскопической информации по волоконно-оптической линии связи. Предварительные результаты разработ-ки.//Восьмая научная сессия аспирантов ГУАП: Сб. докл./ СПГУАП. СПб., 2005, стр. 195-198.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 100 экз. Заказ №

Отдел оперативной полиграфии СПбГУАП

190000, Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 67

ф Обозначения и сокращения

Введение

1. Спектральные измерения в оптическом диапазоне. Обзор методов анализа оптических спектров и технических средств спектроскопии

1.1 Принцип получения спектроскопической информации в оптическом q диапазоне

1.2 Характеристики оптических спектральных приборов

1.3 Сравнительный анализ оптических спектральных приборов

1.4 Обработка спектроскопической информации приборами на базе акустооптических перестраиваемых фильтров

1.5 Состояние теории спектральных измерений в оптическом диапазоне

1.6 Выводы

2. Спектральная обработка оптических сигналов переданных по оптическому волокну

2.1 Принцип спектральной обработки анализируемых сигналов переданных по оптическому волокну

2.2 Система передачи оптических сигналов по оптическому волокну и ее характеристики 2.3 Процедура оптического согласования 33 ® 2.4 Оптический спектральный прибор на базе акустооптического перестраиваемого фильтра

2.5 Процессы фотодетектирования, управления и синхронизации

2.6 Выводы

3. Оптическая система передачи анализируемых сигналов по оптическому волокну. Результаты теоретического исследования

I- 3.1 Анализ процедуры ввода оптического излучения в оптическое волокно

3.2 Анализ процесса вывода оптического излучения из оптического волокна if 3.3 Энергетическая передаточная характеристика оптического волокна 55 ф 3.4 Процедура коррекции неравномерности сквозной энергетической частотной характеристики оптического тракта измерительной системы

3.5 Выводы

4 Элементы теории оптического спектрального прибора, выполненного на базе акустооптического перестраиваемого фильтра q 4.1 Анализ работы оптического спектрального прибора на базе с акустооптического перестраиваемого фильтра

4.2 Динамика взаимодействия спектрального прибора с анализируемым сигналом 4.3 Аппаратная функция оптического спектрального прибора, выполненного на базе акустооптического перестраиваемого фильтра, при различных видах управляющих сигналов

4.4 Энергетический интеграл суперпозиции при управляющем ступенчато частотно-модулированном сигнале с длинными элементарными импульсами

4.5 Энергетический интеграл суперпозиции при управляющем линейно частотно-модулированном сигнале

4.6 Прохождение гармонизуемого случайного процесса через оптический спектральный прибор на базе акустооптического перестраиваемого фильтра 4.7 Свойства оценки аппаратурного энергетического спектра оптического ® излучения

4.8 Выводы

5 Лабораторный макет спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по оптическому волокну и результаты его экспериментального исследования

5.1 Результат экспериментального исследования процедуры ввода оптического излучения в оптическое волокно

5.2 Практическая реализация акустооптического перестраиваемого фильтра

5.3 Результаты экспериментального исследования энергетических аппаратных функций

5.4 Результаты экспериментального исследования спектра излучения лампы накаливания

5.5 Выводы 109 Приложение 1. Чувствительность системы измерения оптических спектров с передачей анализируемых сигналов по оптическому волокну 110 Приложение 2. Комплексная аппаратная функция оптического спектрального прибора на базе акустооптического перестраиваемого фильтра при управляющем ступенчато частотно-модулированном сигнале с короткими элементарными импульсами 119 Заключение 125 Список использованных источников

Обозначения и сокращения

JI4M - линейно частотно-модулированный;

СЧМ - ступенчато частотно-модулированный;

АО - акустооптический;

АОМ - акустооптический модулятор;

АОПФ - акустооптический перестраиваемый фильтр;

АФ - аппаратная функция;

ОВ - оптическое волокно;

ОИ - оптическое излучение;

СП - спектральный прибор;

ЭЧХ - энергетическая частотная характеристика;

ГПВЯ - гильбертово пространство с воспроизводящими ядрами.

Актуальность темы. В физике и технике спектральные методы анализа и приборы принадлежат к числу наиболее распространенных, и в настоящее время нет видимых причин, которые бы привели к изменению этого положения. Анализ гармонического спектра относится к числу важнейших физических измерений [1-6], а также выполняется в тех случаях, когда изучение сигналов как функций времени не дает достаточно ясного представления о физических процессах, протекающих в источниках сигналов.

Чрезвычайно широкое распространение приборов для измерения гармонических спектров обусловлено важностью и разнообразием получаемой с их помощью информации, как в фундаментальных исследованиях строения материи, так и при решении прикладных задач [7, 8]. В первую очередь методы и приборы гармонического анализа охватывают те научные направления, которые обеспечивают прогресс всей науки в целом, а также наиболее динамично развивающиеся области современной техники [4].

Особенно велика роль гармонического анализа в спектроскопии, где получаемая информация заключена в функции распределения энергии электромагнитного излучения по частотам. Эта информация извлекается с помощью СП, выполняющих гармонический анализ. При спектроскопических измерениях СП исследуют электромагнитное излучение как сигнал, посылаемый материей и несущий информацию не только о химическом составе вещества, но и об его агрегатном состоянии, температуре, о физических и химических процессах, происходящих в нем, а также о физических свойствах среды, через которую распространяется излучение. Таким образом, СП во многом являются инструментами для изучения микромира [7]. Особая роль спектральных измерений в оптическом диапазоне дополняется тем, что изучение оптических сигналов возможно только в спектральной области, в отличие от радиодиапазона, где возможно применение осциллографической техники. Поэтому решение задач, связанных с исследованием ОИ, невозможно без создания СП [8], и результатом развития техники спектроскопии является целый ряд методов анализа гармонических спектров [7,8-11] и широчайшая номенклатура СП.

Спектроскопические методы получения информации являются единственно возможными при изучении весьма удаленных или трудно доступных объектов. Отличительное качество этих методов состоит в том, что исследование объекта по спектрам испускания или поглощения не нарушает физических условий, существующих в этом объекте [8].

Прогресс спектрального приборостроения связан с общим прогрессом науки и техники и, в то же время, сам активно влияет на него [4]. Среди приборов для научных исследований аппаратура гармонического анализа занимает особое место: техника спектроскопии развивается в течение многих лет очень высокими темпами, более быстрыми, чем в других областях физического эксперимента и анализа [12].

Все известные спектроскопические измерения в оптическом диапазоне выполняются СП в условиях непосредственного контакта с полем излучения источника. В то же время существует целый ряд актуальных задач, где получение спектроскопической информации невозможно при непосредственном контакте спектральной аппаратуры с полем излучения источников. К числу таких задач относятся контроль и управление различными технологическими процессами, протекающих в условиях повышенной температуры, влажности, агрессивной химической среды, повышенного уровня взрывоопасности; изучение процессов горения, например в корабельных отсеках, двигателях внутреннего сгорания и реактивных двигателях [3]; оптимизация процессов горения в теплоэнергетических установках; некоторые стороны мониторинга окружающей среды [13-15].

Примерами названных технологических процессов являются: процесс крашения текстильных материалов [16-19], процессы в металлургическом производстве, процессы высокотемпературного синтеза и пр. Так, в отечественной текстильной промышленности до настоящего времени нет непрерывного контроля процесса крашения текстильных материалов во время работы технологического оборудования [20, 21]. На предприятиях текстильной промышленности используется специальное лабораторное оборудование для разработки рецептуры красителей в небольших масштабах, а «подбор состава красителей по заданному цвету квалифицированными специалистами сегодня занимает до одной недели» [21].

В металлургическом производстве контроль состава сплава происходит путем взятия пробы и ее спектрального анализа в заводской лаборатории, и, несмотря на экспрессность современного спектрального анализа, его выполнение требует значительного времени, что не позволяет с достаточной оперативностью контролировать процесс выплавки и тем более его автоматизировать.

Одним из важных направлений химико-физических исследований является изучение процессов горения, где спектроскопические методы признаны наиболее информативными [22]. Изучение процессов горения является актуальным в деле решения глобальной проблемы пожарной и экологической безопасности, в двига-телестроении и в теплоэнергетике для оптимизации процессов горения.

Академик Я. Б. Зельдович сформулировал основную цель исследования процессов горения следующим образом: «Теорию горения можно будет считать созданной в том случае, когда с ее помощью можно будет заранее рассчитать оптимальные геометрические и аэродинамические параметры любой камеры сгорания (котла) и ее характеристики в процессе эксплуатации. Для этого необходимо накопление экспериментальных данных на новом качественном и количественном уровне, что требует разработки принципиально новых экспериментальных методов регистрации физико-химических характеристик. Развитие оптических и, в частности, лазерных методов диагностики процессов горения может оказаться в этом смысле чрезвычайно полезным» [23]. Таким образом, в изучении процессов горения на настоящем этапе весьма важная роль принадлежит эксперименту. Экспериментальные данные необходимы для оценки точности и строгости используемых моделей, обоснования принимаемых допущений, а также выяснения механизмов реакций и свойств газовых потоков, в которых протекают реакции [23].

Экспериментальные исследования процессов горения позволят установить в рамках решения проблемы пожарной безопасности достоверные модели сигналов, генерируемых источниками горения, и помех, на фоне которых они действуют [24], что открывает путь для создания более совершенной аппаратуры раннего и достоверного обнаружения очагов пожара. Таким образом, исследования процессов горения лежат в русле решения задач экологической безопасности.

Изучение процессов горения представляет особую актуальность при решении проблемы безопасности полетов. Бортовая спектральная аппаратура мониторинга процессов горения в реактивном двигателе во время полета позволит формировать сигналы нештатной работы реактивного двигателя: появление в спектре излучения факела спектральных линий конструкционных материалов узлов двигателя сигнализирует о том, что состояние двигателя близко к аварийному [3]. При этом анализ спектра ОИ должен проводиться по заданной программе, то есть на заранее определенных участках диапазона анализируемых оптических частот.

Существующие оптические системы получения спектроскопической информации, построенные по традиционному принципу, оказываются непригодными для эксплуатации в отмеченных выше условиях и, следовательно, не способны решить указанные задачи. Это требует создания спектральной аппаратуры оптического диапазона, удовлетворяющей специфическим условиям эксплуатации и оперативно выполняющей спектральные измерения. Решение поставленной задачи выдвигает необходимость нового принципа построения спектральной аппаратуры, где собственно спектральные измерения проводятся в штатных условиях ее эксплуатации. Такой принцип построения спектральной аппаратуры предлагается в данной диссертационной работе. Он состоит в передаче оптических сигналов-носителей спектроскопической информации на вход СП с помощью оптической системы, которая исключает непосредственный контакт СП с полем излучения источника. Эта система включает формирующую оптику и ОВ [25]. Наличие такой оптической системы влечет за собой потери спектроскопической информации, обусловленные искажениями при вводе ОИ в ОВ и его распространении по ОВ, что требует коррекции (до фотодетектора) возникающих частотных искажений, которую следует выполнить в процессе спектральных измерений. Последнее требует применения соответствующих СП в составе измерительной системы.

В настоящее время наиболее подходящими СП в составе предлагаемой спектральной аппаратуры следует признать оптические СП, выполненные на базе АОПФ [26]. Только такие оптические СП позволяют в процессе спектральных измерений решить задачу додетекторной коррекции частотной характеристики оптического тракта всей измерительной системы в целом и выполнить спектральную обработку оптических сигналов по заданной программе.

Исследование и разработка предлагаемой в данной диссертационной работе спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ лежит в русле дальнейшего развития и совершенствования теории и техники оптической спектроскопии, что подчеркивает актуальность, проводимых в работе исследований.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка спектральной аппаратуры оптического диапазона, исключающей непосредственный контакт оптического СП с полем излучения источника.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Предложить принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона, с помощью которого возможно проведение спектральных измерений оптических сигналов таких источников, непосредственный контакт с полем излучения которых СП либо невозможен, либо нежелателен.

2. Разработать оптическую систему передачи анализируемых сигналов к спектральному прибору и теоретически исследовать ее характеристики.

3. Теоретически исследовать спектральную обработку оптических сигналов спектральным прибором, выполненным на базе акустооптического перестраиваемого фильтра.

4. Предложить и исследовать метод коррекции частотных характеристик оптической системы передачи анализируемых сигналов по оптическому волокну и акустооптического взаимодействия.

5. Разработать лабораторный макет спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по оптическому волокну и экспериментально исследовать его характеристики.

Методы решения задач.

При выполнении оптических измерений, в том числе спектроскопических, характерно применение энергетических величин [27]. В этом контексте решается задача анализа процедуры ввода ОИ в ОВ и передачи ОИ на вход СП. Окончательный результат спектральных измерений также приводится к энергетическим спектральным функциям.

Исследуются два аспекта работы оптического СП на базе АОПФ: в рамках первого из них оптический СП рассматривается как детерминированная линейная система под детерминированным воздействием, а в рамках второго - как детерминированная линейная система под стохастическим воздействием.

Детерминистическое описание оптического СП на базе АОПФ опирается на методы общей теории систем [28], теории линейных систем [29] и теории сигналов, теории акустооптического взаимодействия [30-32] и электрооптические аналогии [33]. Формализация обработки спектроскопической информации в оптическом диапазоне базируется на рассмотрении оптического СП на базе АОПФ в рамках макроподхода [30], а именно, как линейная система, действие которой описывается линейными интегральными операторами, ядрами которых являются комплексные и энергетические АФ [34]. При этом согласно представлениям теоретической радиотехники, первоначально рассматривается обработка оптическим СП комплексных спектров, что согласуется с принципами решения дифракционных задач. Окончательный результат спектральных измерений выражается линейным интегральным оператором, связывающим энергетические спектральные функции на выходе и входе оптического СП. Используемый математический аппарат включает методы теории возмущений [11], теории целых функций [35], теории гильбертовых пространств с воспроизводящими ядрами [36].

Стохастическое описание оптического СП на базе АОПФ опирается на результаты детерминистического аспекта и на методы теории случайных процессов [37-39]. Моделью анализируемого сигнала является гаусовский гармонизуемый случайный эргодический процесс.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен новый принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ, позволяющий выполнять анализ спектров оптических сигналов, исключая непосредственный контакт СП с полем излучения источников.

2. Выведены аналитические выражения информационных потерь, возникающих в процессе ввода ОИ в ОВ, в зависимости от частоты ОИ.

3. Развита теория оптического СП на базе АОПФ, опирающаяся на методы теории возмущений, теории целых функций и теории ГПВЯ. Получены аналитические выражения, описывающие алгоритм спектральной обработки оптических сигналов в пространствах комплекснозначных и энергетических спектральных функций.

4. Установлены статистические свойства аппаратурного спектра при воздействии гауссова эргодического случайного процесса, позволяющие совершенствовать методы вероятностного анализа оптических сигналов.

5. Предложена и экспериментально проверена методика коррекции частотных искажений, возникающих в системе передачи оптических сигналов и акустоопти-ческого взаимодействия, путем использования управляющего сигнала в виде амплитудно-модулированного СЧМ колебания.

6. Экспериментально исследованы характеристики созданного лабораторного макета, и тем самым, подтвержден новый принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ, что открывает путь создания аппаратуры бесконтактной оптической спектроскопии.

Пункты 1 и 5 защищены патентом РФ № 2239802 [251

Достоверность результатов подтверждается их непротиворечивостью законам физики и ранее известным положениям, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим и физическим моделированием, натурными испытаниями, а также практическим использованием части полученных результатов.

Практическая ценность:

1. Создан и экспериментально исследован лабораторный макет спектральной аппаратуры оптического диапазона, реализующий новый принцип ее построения и открывающий путь создания технических средств бесконтактной оптической спектроскопии различного назначения.

2, Разработана теоретическая база для создания аппаратуры по п. 1 с заданными характеристиками.

3. Получена математическая модель работы оптического СП на базе АОПФ с различными видами управляющих сигналов, позволяющая оптимизировать алгоритмы спектральной обработки оптических сигналов.

4. Экспериментально подтверждена возможность додетекторной коррекции неравномерности частотных характеристик оптической системы передачи анализируемых сигналов по ОВ и акустооптического взаимодействия.

5. На базе лабораторного макета спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ поставлены три демонстрационные лабораторные работы по курсам «Основы оптики» и «Основы теории оптических сигналов» на кафедре электроники и оптической связи ГУАП.

Защищаемые положения. На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона, предназначенной для работы без непосредственного контакта оптического СП с полем излучения источников.

2. Результаты теоретического и экспериментального исследования оптической системы передачи анализируемых сигналов по ОВ, позволяющие моделировать данные системы с заданными характеристиками.

3. Теория работы оптического СП, выполненного на базе АОПФ.

4. Процедура коррекции частотных искажений в оптическом тракте спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ.

5. Результаты экспериментального исследования характеристик лабораторного макета спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международной научной конференции «International Forum on Wave Electronics and Its Applications» (Санкт-Петербург, 2000 г.), на IV, V, VI, VII, VIII международных конференциях для молодых исследователей «Wave Electronics and Its Applications in the Information and Telecommunication Systems» (Санкт-Петербург, 2001-2004 гг.), на международной конференции по телекоммуникациям «IEEE/ICC2001/St.Peters-burg» (Санкт-Петербург, 2001 г.), на «16th European Frequency and Time Forum» (Санкт-Петербург, 2002 г.), на научной конференции «Лазеры, измерения, информация» (Санкт-Петербург, 2003 г.), на научной конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, 2005 г.), на научной конференции «Лазеры для медицины, биологии и экологии» (Санкт-Петербург, 2006 г.), на Шестой, седьмой и восьмой научных сессиях аспирантов ГУАП (Санкт-Петербург, 2003-2005 гг.), а также обсуждались на научных семинарах «Системы обработки информации и управления» (2003-2004 г.) и на научных семинарах кафедры электроники и оптической связи ГУАП.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 печатных трудов, в том числе: 12 статей и 16 тезисов докладов научных конференций. Кроме того, 3 статьи в настоящее время находятся в печати.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений. Общий объем -133 страницы, включая 60 рисунков и 2 таблицы. Список используемой литературы содержит 85 наименований.

5.5 Выводы

1. Экспериментально подтверждено, что разработанная оптическая система передачи анализируемых сигналов по ОВ способна достаточно эффективно передавать ОИ на вход оптического СП.

2. Показано, что в видимом диапазоне оптических частот анализ энергетического спектра ОИ рассматриваемой спектральной аппаратурой возможен.

3. Экспериментально подтверждена состоятельность, полученных в главе 3, математических моделей ЭЧХ блока ввода ОИ в ОВ.

4. Экспериментально доказана возможность существенной коррекции неравномерности ЭЧХ оптического тракта спектральной аппаратуры с передачей анализируемых сигналов по ОВ. С многомодовым ОВ коррекция возможна до 20 dB и до 10 dB с одномодовым ОВ.

5. Проведенные исследования создали реальные предпосылки разработки бортовой аппаратуры спектрального анализа с целью прогнозирования и оповещения экипажа о предаварийном состоянии реактивного двигателя.

Заключение

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты:

1) Впервые предложен принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона, исключающий непосредственный контакт оптического СП с полем излучения источника. Предложенный принцип позволяет создать спектральную аппаратуру оптического диапазона, способную решать ряд актуальных задач, таких как:

1. Повышение безопасности полетов воздушных судов.

2. Экологическая безопасность производств.

3. Изучение динамики пожаров.

4. Оптимизация процессов горения в топках теплоэнергетических установок.

5. Автоматизация и контроль за различными технологическими процессами, протекающих в условиях повышенной температуры, влажности и агрессивной химической среды.

2) Впервые предложена процедура ввода широкополосного ОИ в ОВ и проанализированы характеристики системы, ее реализующей. Тем самым обеспечена возможность определения информационных потерь при спектральной обработке сигналов оптического диапазона.

3) Предложена и экспериментально проверена методика коррекции частотных искажений, возникающих в оптическом тракте СП, путем использования управляющего амплитудно-модулированного СЧМ сигнала. Экспериментальные исследования показали возможность коррекции ЭЧХ до 20 дБ. Полученные соотношения позволяют провести дальнейшую коррекцию результатов спектральной обработки численными методами.

4) Проанализировано преобразование гармонизуемого случайного процесса оптическим СП, выполненным на базе АОПФ, что позволяет определить соотношение сигнал/шум на его выходе.

5) Аналитически показано, что действие оптического СП на базе АОПФ может быть описано с применением энергетических спектральных функций, что позволяет использовать традиционные оптические методы для анализа процесса спектральной обработки оптических сигналов всей измерительной системой в целом.

6) У оптического СП, выполненного на базе АОПФ, установлены две временных характеристики процесса обработки анализируемых сигналов: время сканирования и время анализа, которое является важнейшей метрологической характеристикой любого СП.

7) Создан лабораторный макет, экспериментально исследованы его характеристики и подтвержден принцип построения спектральной аппаратуры оптического диапазона с передачей анализируемых сигналов по ОВ, что открывает путь создания технических средств бесконтактной оптической спектроскопии различного назначения.

Выполненные исследования открыли новое направление в спектральном приборостроении, которое можно назвать техникой «бесконтактной» оптической спектроскопии. Созданный лабораторный макет такой спектральной аппаратуры является подтверждением этого направления.

В заключении автор выражает огромную благодарность научному руководителю кандидату технических наук О. Д. Москальцу, под руководством которого была выполнена работа, заведующему кафедрой «Электроники и оптической связи» ГУАП профессору С. В. Кулакову за поддержку и критику на протяжении выполнения всей диссертационной работы, а также всем сотрудникам кафедры, принимавшим активное участие в обсуждении результатов работы. I

1. Чинков в. Н. Динамические фильтры для спектрального анализа случайных сигналов. // Измерительная техника. 2002. №5. 57-61,

2. Кунцева Н. К., Пирогова В., Серегина И. Д. Применение спектрального анали- за для определения металлов в воде. //Мир измерений, 2004.2(36). 17-21.

3. Пожар В. Э. Спектральный оптический метод измерения крепости спиртосо- держащих растворов. //ВНИИФТРИ. Труды. Вып. 48(140). 2005. 75-80.

4. Оптическая спектроскопия и стандарты частоты. Молекулярная спектроско- пия. / Под. ред. Л. И. Синицы, Е. А. Виноградова. Томск.: Изд-во ин-та оптикии атмосферы. СОР АН. 2004.

5. Тарасов К. И. Спектральные приборы. 2-е изд. Л.: Машиностроение. Ленин- градское отд. 1977.I0 8. Лебедева В. В. Техника оптической спектроскопии. 2-е изд. Изд-во Москов-ского ун-та. 1992.

6. Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука. 1979.

7. Скоков И. В. Оптические спектральные приборы. М.: Машиностроение. 1984.

8. Рытов М. Модулированные колебания и волны // Труды ФИАН СССР. 1940. 127

9. Раутиан Г. От редактора // Современные тенденции в технике спектроско- пии. Сб. науч. статей под ред. Г. Раутиана. Новосибирск. Наука. Сиб. отд.1982. 3-6.13. http://www.sigma-optic.ru/Cпeктpaльный акустооптический газоанализатор.Ыт.2005

10. Контроль технологических параметров текстильных материалов: методы, уст- ройства. // Таточенко Л. К., Кобляков Н. А., Петров Ю. М. и др. М.: Легпром-бытиздат. 1985.

11. Вальтер Бернард Практика беления и крашения текстильных материалов. М,: Легкая индустрия, 1971.

12. Алешин А., Юданов В. Уникальное оборудование для студентов / Текстильная промышленность. № 6. 2002. 32.

13. Оадзава Тосихино. Лазерные измерения температуры в области горения // Нэнре кенайси. J. Fuel Sos. Jap/ 1989. V. 68. № 4. P. 328-335.

14. Гиль В. В. Оптические методы исследования процессов горения. Минск. Наука и техника. 1984.

15. Калинин В. А., Москалец О. Д., Пресленев Л. Н. Патент 2239802 РФ. МКИ G01 J 3/00. Анализатор спектра сигналов оптического диапазона.

16. Гусев О. Б., Клудзин В. В. Акустооптические измерения. Л.: Изд-во Ленин- градского университета. 1987.

17. Раутиан Г. Реальные спектральные приборы // Успехи физических наук. 1958. Т. 66. Вып. 3. 475-517.

18. Директор С, Рорер Р. Введение в теорию систем. Пер. с англ. М.: Мир. 1974.

19. Заде Л., Дезоер Ч. Теория линейных систем. Пер. с англ. М.: Наука. 1970.

20. Кулаков В. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализа сигналов. Л.: Наука. 1978.

21. Кулаков В., Разживин Б. П., Тигин Д. В. Акустооптический анализатор спектра с высокой разрешающей способностью. В кн.: Обработка радиосигна-129лов акустоэлектронными и акустооптическими методами. Л.: Наука. 1983. 76-81.

22. Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков Л. Е. Физические основы акустоопти- ки. М.: Радио и связь. 1985.

23. Папулис А. М. Теория систем и преобразований в онтике М.: Мир. 1971,

24. Moskaletz О. D. Classical and quantum approaches to power spectrum measurement by diffraction methods. Proc. SPIE Vol. 3900. 1999. P. 297-308.

25. Левин Б. Я. Распределение корней целых функций. ГИТТЛ М.: 1956.

26. Функции с двойной ортогональностью в радиоэлектронике и онтике. США. 1961-1968 г. Перевод и научная обработка Размахнина М. К. и Яковлева В. П.Изд. Советское радио. М.: 1971.

27. Яглом А. М. Корреляционная теория стационарных случайных функций. Л.: Гидрометеоиздат. 1981.

28. Бартлетт М. Введение в теорию случайных процессов/ Пер. с англ. М.: ИИЛ. 1958.

29. Хименко В. И., Тигин Д. В. Статистическая акустооптика и обработка сигна- лов. СПб.: Изд-во -Петербургского университета. 1996.

30. Толмачев Ю. А. Новые спектральные приборы. Принципы работы. Л.: Изд-во Ленинградского университета. 1987.

31. Клудзин В. В. Акустооптические устройства обработки сигналов. СПб. БГТУ. 1997.

32. Хургин Я. П., Яковлев В. П. Финитные функции в физике и технике. М.: Пау- ка. 1971.

33. Москалец О. Д. Соотношение «вход-выход» спектрального прибора при воз- действии случайного процесса. Известия вузов. Приборостроение. 1995. Т. 38.№ 9-10. 35-38.

34. Есепкина H. A., Липовский A. A., Петрунькин В. Ю., Щербаков А. Акусто- оптические спектрометры на кристаллах. В кн.: Акустооптические методы об-работки информации. Л.: Наука. 1978. 22-30.

35. Jacob J., Chang I. Development of an AOTF spectrometers. Proc. SPIE. Vol. 202. ^ 1979. P.40-46.

36. JunjieL. Tunable acousto-optic filters and applications. Advances in materials for active optics. Vol. 567. 1985. P. 28-32.

37. Pustovoit V. I., Gupta N. Collinear acousto-optic spectrometers and their applica- tion. In Pros. 1'* ARL AOTF Workshop. 1997. P. 33-44.

38. Wang X. Acousto-optic tunable filters spectrally modulate light. Laser Focus World N8. Vol. 28. 1994. P. 173-180.

39. Hunter В. V., Leong К. Н., Miller В. Golden J. F. Selecting а high-power fiber- optic laser beam delivery system. Proc. ICALEO. 1996. LIA Vol. 81. Section E.P. 173-182.

40. Hoffman D., Bonati G., Kays P. F. Modular, fiber coupled DPSSL with up to 5 KW average output power. Proc. Advanced Solid-State Lasers. Seattle. 2001.61. http://www.opticom.spb.ru/CHCTeMbi ввода излучения в волокно.Мт.

41. Волков В. А., Епихин Е. Н. Теоретические и экспериментальные исследования интегральных акустооптических приборов // Лазерные новости. Вып. 4. 2003.С. 68-80.

42. Белкин М. Е. Локальная волоконно-оптическая система передачи с СВЧ под- несущей. //Радиотехника. №2. 1991. 75-79.64. http://www.atcsd.ru/rus/prod.php.65. http://www.drmed.ru/BMecTO скальпеля раковые опухоли удаляет лучсолнца.Ыт.

43. Зайдель А. Н., Островская Г. В., Островский Ю. И. Техника и практика спек- троскопии. 2-е изд. М.: Наука. 1976.

44. Нагибина И. М., Михайловский Ю. К. Фотографические и фотоэлектрические спектральные приборы и техника эмиссионной спектроскопии. Л.: Машино-строение. 1981.

45. Харкевич А. А. Спектры и анализ. Изд. 4. М.: ГИФМЛ. 1962.

46. Zajtsev А. К., Kulakov V. S., Razhivin В. Р. Spectral response of acousto-optic spectrometer for a chirp control signal. Proc. SPIE. Vol. 3900. 1999. P. 314-319.132

47. Гуляев Ю. В., Меш М. Я., Проклов В. В. Модуляционные эффекты в волокон- ных световодах и их применение. М.: Радио и связь. 1991.

48. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Паука. 1970.

49. Трофимова Т. И. Курс физики. Издание третье, исправленное. М.: Высшая школа. 1994.

50. Савельев И. В. Курс обшей физики. Т. 3. М.: Паука. 1989.

51. Чуриловский В. П. Теория оптических приборов. М.: Машиностроение. 1966.

52. Чео П. К. Волоконная оптика. Приборы и системы. М.: Энергоатомиздат. 1988.

53. Design and fabrication of acousto-optic devices. Ed. by Goutzolis A. P., Pape D. R. Markel Dekker, Inc. New York. 1994.

54. Киселев Б. A., Малыхин A. В. К вопросу об оценке эффективности и качества спектральных приборов//Современные тенденции в технике спектроскопии.Повосибирск. Паука. 1982.

55. Седякин П. М. Реакция колебательной системы с линейно изменяюшейся час- тотой // Радиотехника и электроника. Т. 4, № 3. 1959. 457-462.

56. Гайдон А. Г. Спектроскопия пламен. Пер. с англ. М.: ИИЛ. 1959.

57. Перина Я. Когерентность света. Пер. с англ. М.: Мир. 1974.

58. Moskaletz О. D. Physical signal theory as a part of quantum laser theory. Proc. SPIE. Vol. 5066. 2003. P. 213-224.

59. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. Вып. 1. / Пер. с англ. М.: Мир. 1971.

60. Тарасенко Ф. П. Введение в курс теории информации. Томск. ИТУ. 1963.

61. Куликовский А. А. Линейные каскады радиоприемников. М-Л.: ГЭИ 1958. 133