Метод восстановления оптических спектров, измеренных акустооптическим спектрометром

• Автор: Кутуза, Игорь Борисович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 104 с. : ил.

С ОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 СПЕКТРОМЕТРЫ НА ОСНОВЕ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ
АКУСТООПТИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
1Л Физические принципы работы акустооптических
спектральных устройств
1.2 Принципиальная схема АО фильтра
1.3 Особенности акустооптических спектрометров
1.3.1 АО спектрометры для лабораторных применений
1.3.2 АО спектрометры для мониторинга окружающей среды
ГЛАВА 2 АЛГОРИТМ ИЗМЕРЕНИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ДЛЯ
АКУСТООПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОМЕТРОВ
2.1 Модель работы акустооптического спектрометра и алгоритм
измерения
2.2 Влияние реальных факторов на погрешность восстановления
2.2.1 Оценки влияния конечности измеряемой выборки
2.2.2 Оценки влияния шумов
Выводы
ГЛАВА 3 ОЦЕНКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ КООРДИНАТЫ
3.1. Оценка погрешности, связанной с неточностью задания
спектральной координаты

3.2. Определение оптимального шага перестройки по спектру
3.3. Структура и особенности метода измерений
3.4. Спектральная калибровка АО спектрометров
3.5. Спектры, регистрируемые АО спектрометрами
3.5.1 Исследование поликристаллических порошков
3.5.2 Исследования кристаллических структур
3.5.3 Исследования жидких углеводородов
3.5.4 Исследования рассеяния воды природных источников, для моделирования работы подводного АО спектрометра
3.5.5 Исследования биологических объектов
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность
Оптические спектрометры на основе акустооптических (АО) перестраиваемых фильтров используются и как самостоятельные приборы, и как составные части сложных спектральных систем. Они применяются в научных исследованиях, биологии, медицине, в экспресс-анализах образцов, при контроле технологических процессов, в мониторинге окружающей среды и во многих других областях.
Основная особенность акустооптических спектрометров заключается в том, что дифракционная решетка создается в кристалле динамически бегущей ультразвуковой волной. Спектральная перестройка осуществляется изменением периода решетки при изменении частоты высокочастотного (ВЧ) электрического сигнала, подаваемого на ультразвуковой излучатель. Следовательно, время перестройки определяется временем пробега ультразвука по кристаллу и составляет ~10'5 с. За это время акустооптический спектрометр может быть адресован в любую точку спектра. Это свойство, называемое произвольным спектральным доступом (random spectral access), является уникальным и составляет принципиальное отличие акустооптических спектрометров от классических спектрометров на дифракционных решетках [1].
Благодаря этому свойству акустооптические спектрометры позволяют реализовать произвольный алгоритм обзора спектра объекта в ходе измерения. И это ставит проблему выбора одного (наилучшего) из всего множества возможных алгоритмов [2]. Этой проблемы не существует для классических дифракционных спектрометров: в них можно выбрать лишь начальную (^min) и конечную длину (Хтах) волны, шаг перестройки (dX) и время накопления в каждой точке (тасс), либо скорость сканирования (dA2dt).

«энергии», то функция g(v), подлежащая детектированию, является интегрируемой на всем множестве значений аргумента, а, следовательно, будет иметь фурье-образ, спадающий на бесконечности к нулю. Если задаться некоторым, как угодно высоким, уровнем точности, можно в этом приближении заменить этот фурье-образ некоторой финитной функцией. Если границы области значений аргумента, в которой фурье-образ исходного сигнала отличен от нуля, шире границ фурье-образа аппаратной функции или стремятся к бесконечности, то границы фурье-образа сигнала на выходе из АО фильтра будут лежать в границах {-Ьф Ьф).
Если же границы области значений аргумента, в которой фурье-образ исходного сигнала существенно отличен от нуля (-Ьс, Ьс), уже границ фурье-образа аппаратной функции (т.е. ЬС < Ье^, то фурье-образ спектрограммы будет лежать в границах (~ЬС, Ьс) и такой сигнал может быть определен точно по значениям измеренного сигнала.
Если априорной информации о сигнале у нас нет, то будем считать, что границы фурье-образа сигнала на выходе АО фильтра определяются границами фильтра, т.е фурье-образ сигнала 5(г) лежит в границах (-Ьф, Ьф).
В соответствии с теоремой Котельникова [39, 40] функция, измеренная на бесконечном множестве равномерных отчетов с шагом может быть восстановлена точно, если ее фурье-образ ограничен и лежит в пределах от - Ьф до Ьф Таким образом, функция может быть представлена в виде разложения в бесконечный ряд:
При восстановлении сигнала, измеренного на АО спектрометре, можно выделить 3 основные причины возникновения погрешностей измерения. Во-первых, измерение производится на конечном множестве отсчетов, что
х(у)= X АгиО
(2.02)

интервал между отсчетами.