CC BY
48Радиооптика
Сетевое научное издание ЩТУим. ИЗi Баумана
http://radiooptic5.fLi УДК 681.785.574
Фурье-спектрометр с линейным Балашов А. А.1, Вагин В. А.1*, Егоров А. И.1, Мошкин Б. Е.1, Нестерук И. Н.1, Хорохорин А. И.1
1 Научно-
Ссылка на статью:
// Радиооптика. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 06. С. 77-87.
Б01: 10.7463/^ор1.0615.0820839
Представлена в редакцию: 05.10.2015 Исправлена: 19.10.2015
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
приводом
уаашпе^таД.ш
геский центр уникального приборостроения Российской академии наук, Москва, Россия
Описан макетный образец фурье-спектрометра. Приведена его оптическая схема с описанием основных элементов. Рассмотрена оригинальная система перемещения подвижного отражателя, реализованная на основе линейной шариковой направляющей с линейным двигателем магнитоэлектрического типа и интерференционным измерителем скорости с импульсным преобразователем сигнала. Система обратной связи выполнена на основе ПИД -регулятора. Квазиоптимальный режим регулятора настроен с помощью Spice симулятора, обеспечивающий максимальное быстродействие, при желаемом качестве переходного процесса, с учётом трения в линейной направляющей. Приведены результаты некоторых тестовых спектральных измерений, выполненных на макете.
Ключевые слова: Фурье-спектрометр, интерферометр, линейный привод, интерферограмма, уголковый отражатель
В истории фурье-спектрометрии известно много способов изменения оптической разности хода в интерферометре. В классическом интерферометре Майкельсона, в котором подвижное плоское зеркало перемещается в направлении, перпендикулярном отражающей поверхности, возникают трудности с исключением заклонов этого зеркала и увеличением проходимого им пути. Поэтому этот вариант используется в основном в приборах с малой апертурой и низким разрешением [1], или построенных по экзотическим схемам, как, например, в приборах с неразъюстируемым интерферометром [2]. Представляется интересной идея замены поступательного движения подвижных элементов интерферометра вращательным (непрерывным или качанием вокруг фиксированной оси), что повышает стабильность перемещения и упрощает конструкцию. Известны успешные попытки качать светоделитель с дополнительными плоскими зеркалами [3], а так же использовать крышеобразные отражатели, состоящие из двух зеркал, установленных под прямым углом друг к другу [4].
С появлением доступных, высокоточных и лёгких отражателей, собранных из трёх взаимно перпендикулярных зеркал, т.н. уголковых отражателей, или триэдров, широкое
распространение получила схема - «двойной маятник». В этой схеме два уголковых отражателя расположены на концах вилки с разных сторон от светоделителя. Вилка равномерно качается вокруг оси, лежащей в плоскости светоделителя. По такой схеме изготовлен ряд лабораторных и космических приборов [5, 6, 7]. Недостаток схемы - больший размер и масса по сравнению с вариантом Майкельсона, особенно при спектральном разрешении, превышающем 0,1 см-1.
Этих недостатков лишен интерферометр, в котором один из уголковых отражателей неподвижен, а другой, подвижный, перемещается прямолинейно на серийно выпускаемом линейном подшипнике. Особое внимание в этом случае обращается на разработку привода подвижного отражателя.
Ниже описан макет фурье-спектрометра, разработанный для экспериментальной проверки этой схемы. Макет, помимо интерферометра, содержит источник ИК излучения, радиометр, референтный канал для стабилизации работы двигателя интерферометра и синхронизации оцифровки сигнала, электронную плату со схемой управления.
Оптическая схема макета показана на рис.1.
Рис.1 Оптическая схема макета. 1 - источник излучения; 2 и 7 - внеосевые параболоиды; 3 - светоделительная пластина; 4 - компенсаторная пластина; 5 - неподвижный отражатель; 6 - подвижный отражатель; 8 - фотоприемник; 9 - лазер; 10 и 11 - зеркала референтного канала; 12 - приёмник
референтного канала;
Рассматриваемая оптическая схема включает в себя два канала (основной и референтный), разнесенные по высоте. В основном канале световой поток от источника излучения 1 посредством внеосевого параболического зеркала 2 направляется на вход интерферометра. Коллимированное излучение, входящее в интерферометр, делится на полупрозрачном покрытии светоделителя 3 и 4 на два когерентных пучка - отражённый и прошедший. Отражаясь в строго обратных направлениях от ретрорефлекторов 5 (неподвижного) и 6 (подвижного) эти пучки вторично расщепляются на светоделителе. Пучки, идущие от ретрорефлекторов к конденсору 7, будучи когерентными, интерферируют и направляются на приемник излучения 8. При равномерном движении отражателя 6 со скоростью V, излучение с волновым числом V, падающее на приёмник, оказывается модулированным с частотой/=2 У ^. В результате приёмник 8 регистрирует интерферограмму - поток излучения, в котором каждая спектральная компонента модулирована со своей частотой.
В референтном канале излучение от гелий-неонового лазера 9 посредством плоских зеркал 10 и 11 направляется в интерферометр. Далее уже модулированное излучение попадает на фотодиод - приемник референтного канала 12. Так как лазерное излучение монохроматическое, то сигнал, регистрируемый приёмником, имеет синусоидальную зависимость от оптической разности хода в интерферометре.
Ход лучей референтного канала в интерферометре совпадает с ходом лучей основного (измерительного) канала. Это позволяет использовать сигнал с приёмника 12 для оцифровки сигнала с приёмника 8 и для стабилизации скорости движения подвижного отражателя.
Опишем основные элементы рассматриваемого макета (Рис. 2).
Интерферометр отличается тем, что в качестве отражателей в плечах интерферометра используются зеркальные уголковые отражатели, один из которых установлен на специальной линейной направляющей.
Модуль интерферометра расположен на прямоугольной плите длиной 480 мм и шириной 415 мм. К этой плите в виде выносных узлов прикреплены осветительное и радиометрическое устройства.
Светоделитель 3 состоит из двух пластин: светоделительной и компенсационной, показанных на рис.1. Пластины выполнены из КВг. Их диаметры и толщины соответственно равны 70 мм и 9 мм. На поверхности светоделительной пластины нанесено светоде-лительное полупрозрачное диэлектрическое покрытие, обеспечивающее деление падающего потока во всём спектральном интервале основного канала на два примерно равных пучка - прошедший и отраженный. На светоделителе имеются также две зоны с покрытием, полупрозрачным для лазерного луча.
Рис.2 Общий вид макета. 1 - источник излучения; 2 и 7 - внеосевые параболоиды; 3 - светоделитель; 4 - модуль предварительной обработки и преобразования (электронная плата); 5 - неподвижный отражатель;
6 - подвижный отражатель; 8 - фотоприемник; 9 - лазер; 10 и 11 - зеркала референтного канала;
12 - приёмник референтного канала; 13 - направляющая; 14 - двигатели.
В качестве отражателей 5 и 6 используются зеркальные уголковые отражатели фирмы PLX (США). Они имеют апертуру 2 дюйма; погрешность (максимальный угол между осью падающего пучка и осями каждого из 6 отражённых пучков) равна 2 угловым секундам. Подвижный отражатель установлен на каретке с шариковым сепаратором, перемещающейся по линейной направляющей 13 (японская фирма THK, Модель SHS 15C) посредством двигателя магнитоэлектрического типа 14. Максимальный путь, проходимый кареткой, составляет 150 мм, а путь, проходимый кареткой от положения нулевой разности хода, составляет 125 мм. Максимальная оптическая разность хода при регистрации двухсторонней интерферограммы составляет примерно 5 см, что обеспечивает номинальное спектральное разрешение 0,2 см-1, а при регистрации частично односторонней интер-ферограммы максимальная оптическая разность хода достигает 25 см, что в принципе может обеспечить спектральное разрешение 0,04 см-1.
Для регистрации интерферограммы используется пироэлектрический фотоприёмник Р5273. Размер приёмной площадки приёмника, равный 2,5 мм. Сигнал от фотоприёмника поступает на плату усилителя 4, которая расположена в непосредственной близости от приёмника. Коэффициент усиления равен 150. Сигнал усилителя преобразуется в код с помощью 18-ти разрядного АЦП.
Внеосевые параболические зеркала 2 и 7 имеет диаметр 40 мм и фокусное расстояние 78,5 мм.
Приемником референтного канала 12 является германиевый фотодиод ФД10-ГА, источником излучения - гелий-неоновый лазер типа 1507-2,100-240 VAC (JDSU), длина волны 0,6328 мкм.
В качестве концевых датчиков, ограничивающих пределы перемещения подвижного отражателя в интерферометре, используются оптопары EE-SX 4009-P1. (Такие оптопары используются, например, в приборе АФ-1 [3]). При достижении кареткой крайнего положения, датчики вырабатывают сигнал, по которому система управления прекращает стабилизировать скорость, формирует импульс реверса и, после достижения заданной скорости при обратном движении, снова начинает управлять двигателем.
Приводу - двигательной системе, обеспечивающей механическое перемещение подвижного отражателя интерферометра, уделено особое внимание. Двигатель с системой управления должен обеспечивать равномерную скорость изменения оптической разности хода в интерферометре, учитывая колебания светоделителя и триэдров в плечах интерферометра). Привод должен обеспечивать быстрый реверс на концах рабочего участка.
Устройство привода видно на рис. 2, поз. 13 и 14 и поясняется рис. 3, где изображено его поперечное сечение.
Рис.3 Поперечное сечение привода отражателя. 1-направляющая; 2 - каретка; 3, 4 - магнитопроводы;
5 - магнит; 6 - катушка; 7 - основание; 8 - кронштейн отражателя; 9 - уголковый отражатель.
По направляющей 1 перемещается каретка 2 с шариковым сепаратором, несущая уголковый отражатель 9. С обеих сторон от направляющей симметрично расположены два идентичных двигателя. Каждый двигатель включает в себя два магнитопровода 3 и 4, причём вдоль магнитопровода 3 по всей его длине установлен магнит 5 из сплава NdFeB.
Он обращён одним полюсом к магнитопроводу 3, а другим - к воздушному зазору. На магнитопровод 4 надета, не касаясь его, катушка 6. Катушка жёстко соединена с кареткой, а магнитопроводы закреплены на общем основании 7 вместе с линейной направляющей.
Коэффициент преобразования изготовленного двигателя составляет 1.2 Н/A, индуктивность катушки - 1.23 мГн, сопротивление - 11.5 Ом, масса подвижной части - 220 г. Жёсткость кронштейна 8 при указанной выше массе каретки определяет резонансную частоту этого узла, ограничивающую диапазон частот устойчивого управления двигателем. Расчёты, проведенные методом конечных элементов с использованием 3D модели подвижной части системы сканирования, дали значения этой частоты, равное 750 Гц.
Оптимизация параметров системы произведена на основе компромисса подавления механического резонанса, пульсации скорости и максимизации быстродействия. С помощью Spice симулятора получены параметры настройки регулирующего устройства для скорости перемещения уголкового отражателя 0.2 см/сек, что соответствует частоте сигнала референтного канала около 6 кГц.
Модуль управления приводом предназначен для обеспечения постоянной скорости изменения оптической разности хода, что обеспечивается посредством ПИД-регулятора. Модуль измеряет скорость изменения оптической разности хода по частоте референтного сигнала путём преобразования сформированных импульсов постоянной длительности в постоянное напряжение и сопоставляет её с заданным значением. Результат сопоставления поступает на вход ПИД-регулятора, а сигнал с его выхода - на исполнительный механизм.
Структурная схема разработанного и изготовленного модуля управления двигателем приведена на рис. 4.
Рис.4 Структурная схема модуля управления двигателем
Сформированная импульсная последовательность из синусоидального сигнала референтного канала поступает на вход преобразователя частота/напряжение, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное скорости изменения оптической разности хода. Результат преобразования сравнивается с напряжением на выходе источника опорного напряжения с помощью вычитающего усилителя А1. Результат вычитания есть напряжение, пропорциональное ошибке по скорости. Это напряжение поступает в коммутатор, где через один из повторителей А2 или А3, в зависимости от направления перемещения, направляется на пропорционально-дифференцирующее А4 и интегрирующее А5 звено. Сигналы с выходов звеньев А4 и А5 направляются в сумматор, на выходе которого формируется сигнал управления, поступающий на вход усилителя мощности. Сигналы на выходах усилителя мощности противофазны по постоянной и переменной составляющим.
Линейный двигатель ЛД включен между выходами усилителя мощности, что исключает протекание тока обмотки через сигнальные цепи и снижает уровень помех в референтном канале.
Маятниковое движение подвижного зеркала интерферометра обеспечивается сменой знака напряжения на двигателе при достижении концевых выключателей. Введение коммутатора сигнала ошибки позволяет стабилизировать скорость в двух направлениях движения.
Коммутация сигналов повторителей обеспечивается триггером, который, в свою очередь, переключается сигналами START и STOP концевых выключателей. При срабатывании концевых выключателей триггер формирует импульс разворота, поступающий через сумматор на усилитель мощности. Этот импульс вызывает торможение каретки и её разгон в обратном направлении. На время действия импульса разворота сигналы с ПИД-регулятора отключаются. Знак импульса разворота меняется согласно с изменением состояния триггера направления движения.
Интегратор (А5) снижает ошибку сканирования в области нижних частот, в основном, связанную с трением в линейной направляющей.
Экспериментальная проверка работы макета
Источником излучения в экспериментах являлся металлокерамический излучатель ВК-15 диаметром 3,5 мм. При токе до 1,8 А он разогревается до 1150 °С. Степень черноты его поверхности более 0,95. Объектом измерения являлся воздух внутри макета. При атмосферном давлении собственная ширина линий поглощения составляет примерно 0,3...0,5 см-1, что позволяет произвести достаточно надежные спектральные измерения с разрешением порядка 0.5 см-1. Такие измерения были выполнены.
На Рис.5 - 6 приведены фрагменты измеренного спектра атмосферы в области спектра поглощения СО2 в одном скане, демонстрирующие спектральные характеристики макета. Как видим вращательно-колебательная структура полос поглощения СО2 разрешена. Расстояние между соседними линиями поглощения примерно 2 см-1 и они вполне разрешаются.
Рис.5 Фрагменты измеренного спектра атмосферы в области спектра поглощения СО2 в одном скане
Рис.6 Фрагменты измеренного спектра атмосферы в области спектра поглощения СО2 в одном скане
Заключение
Таким образом, в ходе разработки макета фурье-спектрометра был разработан интерферометр с большой оптической разностью хода, содержащий оригинальную систему линейного перемещения подвижного отражателя. Предложенная система линейного перемещения отличается хорошей стабилизацией скорости изменения оптической разности хода в интерферометре в больших пределах перемещения подвижного отражателя. В результате, в измеряемых спектрах вклад флуктуаций скорости сканирования подвижного отражателя оказывается минимальным.
Список литературы
1. Морозов А.Н., Светличный С.И. Основы Фурье-радиометрии // М.: Наука, 2014.
2. Ежевская Т.Б., Шипилов А.Ф. Фурье-спектрометр с подвижным светоделителем // ПТЭ,1981.-№6 - с.166,167.
3. Балашов А.А., Вагин В.А., Висковатых А.В. и др. Аналитический Фурье-спектрометр АФ-1 широкого применения // ПТЭ, 2003. - №2. - с.87-89.
4. Балашов А.А., Вагин В.А., Челноков А.И. Быстросканирующий фурье-спектрорадиометр БФС-01 // Компьютерная оптика, 1989. - в.6. - с.72-80.
5. Formisano, V., Angrilli, F., Arnold, ...Moshkin B., ..., (in all 45). The Planetary Fourier Spectrometer (PFS) onboard the European Mars Express Mission // Planetary and Space Science, 53, 963-974, 2005.
6. Григорьев А.В., Мошкин Б.Е., Кораблёв О.И. и др. Миниатюрный фурье-спектрометр «АОСТ» для космических исследований // «Оптический журнал», т.76, №2, 2009, стр. 28-35.
7. Мошкин Б.Е., Жарков А.В., Вагин В.А. и др. Многоцелевой фурье-спектрометр космического базирования (экспериментальный образец) // ПТЭ, 2012. - №.6 - с.78-84.
Radiooptics of the Bauman MSTU, 2015, no. 06, pp. 77-87.
DOI: 10.7463/rdopt.0615.0820839
Received: 05.10.2015
Revised: 19.10.2015
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Fourier Spectrometer with a Linear Actuator
A.A. Balashov1, V.A. Vagin1'*, A.I. Egorov1, Vaguinegjmaiiju
B.E. Moshkin1, I.N. Nesteruk1, A.I. Khorokhorin1
1Scientific and Technological Center of Unique Instrumentation of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
Keywords: Fourier spectrometer, interferometer, linear actuator, interferogram, corner reflector
The paper describes the Fourier spectrometer setup with a linear actuator. The mirror corner reflectors are used as reflectors in the arms of its interferometer. Their use, instead of flat mirrors, can dramatically reduce a dependence of the recorded interference signal on the inclinations of the corner reflectors when they move. The paper presents an optical scheme of the Fourier spectrometer with description of the main elements. In addition to the interferometer, it comprises a source of infrared radiation, a radiometer, and a reference channel to stabilize the engine operation and synchronize signal sampling. A beam splitter and the compensation plates of the interferometer are made of KBr. Reflectors of PLX Company (USA) having a 2in. aperture and deviations of mirror angles from 90°, at most, 2 arc seconds are used as the corner reflectors. To record an interferogram is used pyro-electric photo-detector P5273 with 2.5 mm diameter of a sensor area. The paper considers an original movement system of the movable reflector. The system is implemented on the basis of linear ball guide with linear magneto-electric motor and interference speed meter with pulse signal converter. The drive control module provides a constant rate of changing optical path difference through a feedback system based on the PID controller. Scan speed, proportional to the frequency of the reference channel, is measured by the frequency/voltage inverter and compared with the defined one in order to form the speed error signal. The speed error enters the proportionally differentiating and integrating links and then through the power amplifier goes to the coil of the linear motor. To demonstrate the possibilities of considered Fourier spectrometer setup, a series of spectral measurements were taken. In particular, were recorded the atmosphere spectra between 500 and 400 cm-1 with a resolution of about 0.3 cm-1. The radiation source in the experiments was a cermet radiator VK-15 with an emission diameter of 3.5 mm and a blackness degree of 0.95. It was heated up to 1150 °C. The results of some test measurements taken on the experimental setup and demonstrating its performance are shown in the figures.
Radiooptics
References
1. Morozov A.N., Svetlichnyy S.I. Osnovy Fur'ye-radiometrii [Basics of Fourier radiometry]. Moscow, Nauka Publ., 2006. 275 p. (in Russian).
2. Ezhevskaya T.B., Shipilov A.F. Fourier spectrometer with moving beamsplitter. PTE, 1981, no. 6, pp.166-167. (in Russian).
3. Balashov A.A., Vagin V.A., Viskovatykh A.V. et al. Automotive all-purpose Fourier-spectrometer AF-1. PTE, 2003, no. 2, pp. 87-89. (in Russian).
4. Balashov A.A., Vagin V.A., Chelnokov A.I. High-speed spectral radiometer BFS-01. Komp'yuternaya optika = Computer optics, 1989, no. 6, pp.72-80. (in Russian).
5. Formisano V., Angrilli F., Arnold, Moshkin B. et al. The Planetary Fourier Spectrometer (PFS) onboard the European Mars Express Mission. Planetary and Space Science, 2005, no. 53, pp.963-974.
6. Grigor'yev A.V., Moshkin B.E., Korablev O.I. et al. The AOST miniature Fourier spectrometer for space studies. Opticheskiy zhurnal - Journal of Optical Technology, 2009, vol. 76, no. 2, 2009, pp. 28-35. (in Russian).
7. Moshkin B.E., Zharkov A.V., Vagin V.A. et al. Multifunctional Fourier spectrometer with space basing (experimental sample). PTE, 2012, no. 6, pp.78-84. (in Russian).
