CC BY
45
УДК 621.396, 534::535
И.И. Саенко, С.К. Круглов, С.Б. Розанов, С.В. Соломонов
оптоэлектронный спектрометр для комплекса
дистанционного зондирования атмосферы
на миллиметровых волнах
Атмосферный озон 03 защищает биосферу Земли от губительного ультрафиолетового излучения Солнца в диапазоне УФ-Б (280-315 нм). Поглощение озоном солнечного излучения является основным источником нагрева стратосферы (высоты 15-50 км) [1]. Пространственно-временное распределение озона в атмосфере определяет количество, локализацию и вариации поглощенной энергии, что, в свою очередь, влияет на характеристики атмосферы. Таким образом, изменения в озоновом слое самым тесным образом связаны с изменениями климата Земли, влияют на температурный режим и динамику атмосферы, а также на биосферу. Поэтому проблема надежного мониторинга озонового слоя атмосферы - одна из наиболее актуальных экологических проблем.
Работающие сейчас немногочисленные спутниковые приборы, выполняющие лимбовые измерения вертикального распределения озона, не обеспечивают высокого пространственного разрешения в горизонтальном направлении и не позволяют получать достаточно плотные непрерывные ряды данных о содержании озона над выбранным пунктом. Кроме того, спутниковые приборы нуждаются в периодической калибровке данных наземными средствами.
Все это определяет потребность в оперативных и надежных методах наземных измерений пространственно-временного распределения атмосферного озона и разработке соответствующих приборных комплексов. Дистанционное зондирование атмосферного озона на миллиметровых (ММ) радиоволнах является одним из наиболее эффективных методов решения этой задачи. По форме уширенных давлением вращательных спектральных линий собственного теплового излучения озона, измеренных с поверхности Земли, можно определить вертикальное распределение озона в атмосфере на высотах примерно от 12 до 75 км над пунктом наблюдения [2, 3]. Важными
достоинствами радиофизических методов зондирования озона и других малых газовых составляющих атмосферы являются возможность непрерывных круглосуточных измерений, широкий диапазон зондируемых высот, малая зависимость от погодных условий при наземных наблюдениях, относительно низкая стоимость аппаратуры.
Для реализации перечисленных достоинств дистанционного зондирования атмосферы на ММ волнах необходимы высокочувствительные радиометры и широкополосные, с полосой анализа в несколько сотен мегагерц, стабильные и надежные спектрометры, среди которых важное место занимают акустооптические спектрометры (АОС).
Работы по созданию таких устройств для радиоастрономических наблюдений в течение ряда лет проводились в СПбГПУ по инициативе и под руководством профессора Н.А. Есеп-киной, одной из первых в нашей стране организовавшей лабораторию по проведению исследований и разработок в области прикладной акустооптики и оптоэлектроники. В конце 90-х гг. совместно с сотрудниками Физического института имени П.Н. Лебедева (ФИАН) были начаты работы по созданию акустооптического спектрометра для комплекса дистанционного зондирования атмосферы.
В данной статье кратко рассмотрено функционирование широкополосного оптоэлектрон-ного спектрометра, разработанного в СПбГПУ на основе акустооптического спектроанализатора, в составе радиометрического комплекса ММ диапазона волн, созданного в ФИАН для исследований атмосферного озона на частоте 142 ГГц.
Озонометрический комплекс с АОС
Основные функциональные связи спектрометра с приемным комплексом озонометра показаны на упрощенной структурной схеме рис. 1.
Излучение атмосферы \\\
Антенна
Управление приемником
Рмод Сигналы службы времени
а.
' ref
Модулятор
Преобразовательно-усилительный тракт
Малошумящий приемник
Оптичес-
кии про-
цессор
Цифровой процессор
ФПЗС АО спектрометр
Рис. 1. Общая структурная схема озонометра ММ диапазона с АО спектрометром
Входная часть радиометрического комплекса представляет собой двухлучевой модуляционный супергетеродинный приемник излучения двухмиллиметрового диапазона. В состав приемника входят квазиоптический антенный блок, преобразовательно-усилительный тракт и система стабилизации частоты гетеродина. Антенный блок обеспечивает прием сигнала под зенитным углом около 60°, что близко к оптимальному значению для широкого диапазона условий наблюдения. Антенный блок имеет два практически идентичных входа, переключаемых вращающимся плоским зеркалом модулятора с частотой 75 Гц. Ширина осесимметричных гауссовых ДН входных лучей составляет около 1,5° по уровню -3 дБ при диаметрах входных линз 120 мм.
При наблюдениях один из лучей («опорный») перекрывается поглощающей нагрузкой, охлажденной жидким азотом и имеющей яркостную температуру Т= 110 К. Второй луч («сигнальный») направлен на небо, для которого частотная зависимость яркостной температуры определяется, в основном, вращательной спектральной линией озона с центральной частотой 142,175 ГГц (переход 100 10 - 1019). При калибровке приемника этот луч перекрывается нагрузкой, находящейся при комнатной температуре Т0.
Шумовой сигнал от неба или от поглощающей нагрузки складывается в диплексере с монохроматическими колебаниями первого гетеродина с частотой 140,42 ГГц и через скалярный рупор поступает в смеситель. Смеситель на планарном диоде с барьером Шоттки преобразует полосу
шириной около 0,5 ГГц, содержащую озонную линию, в полосу частот АОС (1,5-2,0 ГГц). Изменением разности хода диплексера приемник настраивается на работу в двухполосном или однополосном режиме. Двухполосная шумовая температура приемника составляет 650-700 К в средней части анализируемой полосы частот. Система фазовой автоподстройки частоты первого гетеродина обеспечивает кратковременную (за 0,2 с) относительную стабильность его частоты около 2-10-8.
Оптоэлектронный спектрометр состоит из двух основных частей: акустооптического фурье-процессора и системы сбора и обработки данных. Акустооптический процессор включает в себя гелий-неоновый лазер, анаморфотную систему коллимации оптического пучка, акустооптиче-ский дефлектор на кристалле LiNbO3 (центральная частота 1750 МГц, временная апертура 1,5 мкс, эффективность 1,5*10-2 Вт-1) и фурье-объектив. В выходной плоскости оптического процессора расположен линейный 2048-элементный фотоприемник (модель Sony ILX 703) на приборе с зарядовой связью (ПЗС) с размерами отдельного элемента 14*14 мкм2. Размеры оптического модуля составляют 40*25*12 см3.
В выходной плоскости оптического процессора распределение освещенности в плоскости акустооптической дифракции линейно связано со спектральным распределением мощности принятого сигнала. Считывание этого распределения, его дискретизация и преобразование в электрический сигнал осуществляются ПЗС-фотоприемником.
Частота, МГц
Рис. 2. Частотная характеристика АОС, измеренная по входному шумовому сигналу
Интегрирование зарядовых пакетов в элементах фотоприемника и их последовательный вывод из сдвигового регистра позволяют получить дискре-тизованный спектр сигнала. Полоса пропускания эквивалентного фильтра каждого канала и общее число каналов определяются характеристиками элементов оптического процессора и фотоприемника. При этом высокая точность настройки всей совокупности спектральных каналов обеспечивается высокой точностью расположения элементов фотоприемника.
Ширина полосы АОС по уровню -3 дБ достигает 450 МГц, что иллюстрируется его амплитудно-частотной характеристикой, измеренной по широкополосному шумовому сигналу и приведенной на рис. 2.
АОС имеет 1000 спектральных каналов. На рис. 3 показаны нормированные частотные характеристики отдельных каналов АОС. Из этого рисунка видно, что шаг следования каналов по частоте составляет около 0,6 МГц, а ширина полосы отдельного спектрального канала по уров-
ню - 3 дБ (т. е. частотное разрешение АОС) равна примерно 0,9 МГц.
Система сбора и предварительной обработки данных АОС состоит из аналого-цифровой и цифровой частей. Аналого-цифровая часть, непосредственно соединенная с выходом акустоопти-ческого процессора, включает в себя контроллер ПЗС-фотоприемника, два буферных регистра, видеоусилитель и АЦП. Цифровая часть состоит из сигнального процессора ADSP-2181 и схем, согласующих его взаимодействие с процессором компьютера и обеспечивающих обмен сигналами между сигнальным процессором и подключенными к нему внешними устройствами. Система сбора данных АОС обеспечивает управление работой ПЗС-фотоприемника по заданной программе и в темпе, определяемом частотой переключения входов радиометра, считывание и аналого-цифровое преобразование сигналов, предварительную цифровую обработку и их буферное накопление с последующей регистрацией в компьютере в виде файлов данных.
р
434 \ ( 435 X 436 ДР=0,9 МГц
0,5
0,5
1
1,5
2 2,5 3 3.5
Отстройка частоты, МГц Рис. 3. Интерполированные частотные характеристики трех каналов АОС
Синхронизация системы сбора данных осуществляется импульсами от модулятора антенного блока приемника, запускающими внутренний таймер микропроцессора. На этапе предварительной обработки в сигнальном процессоре производится раздельное накопление спектров сигналов каждого из двух лучей с переключением буферных накопителей в темпе модуляции входного сигнала (синхронное накопление).
Для достижения требуемой флюктуационной чувствительности спектрорадиометра необходимо оценить и компенсировать влияние нестабильности характеристик АОС, проявляющейся при длительном накоплении сигнала. Была рассмотрена возможность обеспечить требуемую точность частотной привязки спектра за счет выбора алгоритма обработки данных при построении частотной градуировки широкополосного АОС и последующей компенсации дрейфов частотной шкалы спектрометра при цифровой обработке спектров [4]. При этом аппаратная функция аку-стооптического спектроанализатора моделировалась гауссоидой, а для регрессионного анализа данных измерений использовалась функция genfit из пакета MathCAD [5]. В результате разработан вариант алгоритма построения текущей частотной градуировки, позволяющий учитывать ее температурные дрейфы в процессе длительных наблюдений путем обработки сигнала стабильного частотного репера, регистрируемого одновременно с исследуемым сигналом. Полученная величина погрешности частотной градуировки спектрометра не превышает 30 кГц в полосе частот 60 МГц вблизи центра исследуемой линии
10
(142,175 ГГц), что согласуется с ограничениями, накладываемыми реализуемой флюктуационной чувствительностью и максимальной крутизной измеряемой линии.
Оценки долговременной амплитудной стабильности АОС проводились на основании результатов измерения зависимости дисперсии Аллана от времени накопления. Подобная методика применяется для оценки стабильности стандартов частоты и спектрометров, в частности, акустооп-тических [6]. Для режима работы спектрорадио-метра с достаточно высокой частотой модуляции, реализуемого в озонометре, нами была предложена более простая и эффективная методика, предусматривающая анализ зависимости от времени накопления оценки «спектрально-временной дисперсии» получаемых спектральных отсчетов [7]. Смысл ее состоит в том, что часть процесса усреднения по набору временных отсчетов заменяется усреднением по набору спектральных каналов. Для дифференциального сигнала, получаемого при демодуляции, такая замена оказывается вполне обоснованной, а время измерения, необходимое для получения соответствующих оценок, уменьшается в десятки раз. Результаты применения такой процедуры для обработки данных, полученных при измерении выходного шума в 40 спектральных каналах системы в течение двух часов, приведены на рис. 4, где в логарифмическом масштабе показана зависимость от времени накопления вычисляемой дисперсии и аппроксимация, соответствующая поведению оценки дисперсии нормального шума.
1 10 100 1 -10
Время накопления, с ависимость спектрально-временной дисперсии от времени накопления - а2
apr _____ 0,1
- 01
Рис. 4.
ч 0>
ч
О
03
П
(Я
я
[-Н
я
о л
к к
¡Г К
4 а>
РЗ
3000
2000
1000
1
0 200 400 600 800
Номер спектрального канала
Рис. 5. Сигналы на выходах каналов АОС при теплой (верхняя кривая) и холодной (нижняя кривая) нагрузках на входе приемника
1000
Видно, что определяемый положением минимума дисперсии максимальный временной интервал между калибровками составляет около 200...300 с. При дальнейшем увеличении времени накопления сигнала увеличивается вклад собственного шума спектрометра в суммарный шум радиометра, что ухудшает достижимую флюктуа-ционную чувствительность. С учетом этого при наблюдениях спектров озона выбирается длительность цикла накопления сигнала между последовательными калибровками.
Методика наблюдений и некоторые результаты
Первые испытания комплекса и пробные измерения спектров атмосферного озона проводились в Москве начиная с июня 2001 г. Настройка приемника производилась по величине откликов в каналах АОС на излучение теплой и холодной поглощающих нагрузок, помещавшихся перед входами антенного блока. При этом на мониторе компьютера и на контрольном осциллографе индицировались одновременно сигналы с выходов каналов АОС, соответствующие яркостным температурам внешнего излучения Т & 300 К и Т =110 К (рис. 5). По величине отношения этих откликов (так называемому 7-фактору) для каждого спектрального канала рассчитывалась яркостная температура приемника. Осцилляции на кривых в правой половине рисунка связаны с интерференцией излучения лазера на входном
окне линейки ПЗС. Они исключаются при калибровке приемника и не проявляются на результатах спектральных измерений. На левом склоне кривых в 137-м канале АОС видны также небольшие пики, соответствующие сигналу реперного генератора с частотой 1,52 ГГц.
Последующая обработка массивов данных, записанных в файлы, включала их поэлементное усреднение в течение выбранного интервала накопления и вычисление разностных спектров сигналов от двух лучей, пропорциональных калибровочной и измеряемой разностям температур. После этого рассчитывался спектр яркостной температуры неба, содержащий искомую линию излучения озона. На последующих этапах обработки проводилось суммирование отдельных «единичных» спектров и восстановление вертикального распределения озона по суммарному спектру с лучшим отношением сигнал/шум [8]. На рис. 6 показан пример суммарного спектра излучения озона, полученный 29 июня 2001 г., а на рис. 7 - восстановленное по этому спектру вертикальное распределение озона на высотах 20-60 км (сплошная линия) [9]. Пунктирная линия - модельное вертикальное распределение озона для июня на широте Москвы [10].
Развитием совместных работ ФИАН и СПбГПУ [8, 9, 11, 12] стала разработка нового транспортабельного озонометра миллиметрового диапазона волн с широкополосным акустоопти-ческим спектроанализатором. Этот прибор ново-
ев
св Рн и 13
г
и н
а о И
181
180
179
178
177
176
175
к
ЛЛДА/ \
1-ААЛ. У 1\млЛ| и
\лу* V
-160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 ~20
Отстройка от центра линии, МГц
20
40
Рис. 6. Пример спектра излучения атмосферного озона. Общее время измерения спектра - 768 с, настройка приемника - двухполосная, ослабление сигнала тропосферой - около 4 дБ
го поколения с улучшенными характеристиками предназначен для регулярного, круглосуточного и мало зависящего от погодных условий наземного мониторинга защитного озонного слоя атмосферы. Новый озонометр включает в себя мало-шумящий приемник, состоящий из оптического и СВЧ блоков, широкополосный АОС, дополнительный узкополосный фильтровой анализатор спектра (ФАС) и управляющий компьютер со специальным программным обеспечением [13]. Оптический блок супергетеродинного приемника обеспечивает выбор зенитного угла наблюде-
ний, амплитудную модуляцию входного сигнала, преобразование сигнала по частоте в полосу 3,5-4,0 ГГц в волноводном смесителе на диоде Шоттки, подавление зеркальной полосы смесителя, а также калибровку приемника. Гетеродином является твердотельный генератор на диоде Ган-на. СВЧ блок приемника обеспечивает дальнейшее преобразование частоты сигнала к полосам частот широкополосного АОС (1,5-2,0 ГГц) и узкополосного фильтрового анализатора спектра (307,4-318,2 МГц), а также стабилизацию частот всех гетеродинов приемника.
ГО 1— О
о
-О
СП
01234567; Отношение смеси озона, ppm
Рис. 7. Вертикальное распределение озона над Москвой, полученное по спектру излучения озона, представленному на рис. 6
Как показало компьютерное моделирование [13], использование в этом озонометре оптоэлек-тронного спектрометра с полосой около 500 МГц позволит при времени накопления сигнала около 1 ч восстанавливать вертикальное распределение озона (ВРО) в атмосфере на высотах 12-55 км. В настоящее время работы по созданию нового озонометра близки к завершению, в ФИАН ведутся испытания приемника и АОС.
Широкополосный АОС, разработанный в СПбГПУ, может быть использован также в охлаждаемом спектрометре 1,5-миллиметрового диапазона, создаваемом в ФИАН для дистанционного зондирования озоноразрушающих молекул стратосферной окиси хлора на частоте 204,4 ГГц [13], а также других важных малых газовых составля-
ющих атмосферы (озона на частоте 195,4 ГГц, закиси азота на частоте 201,0 ГГц и окиси углерода на частоте 230,5 ГГц).
Результаты измерений характеристик озоно-метрического комплекса с АОС и проведенные циклы атмосферных наблюдений показали, что широкополосные оптоэлектронные спектрометры, разработанные в коллективе, который создала и многие годы возглавляла профессор Неля Александровна Есепкина, могут успешно применяться для наземного мониторинга вертикального распределения озона в атмосфере средствами радиоспектроскопии миллиметрового диапазона волн и использоваться для получения новых данных о процессах, определяющих содержание малых газовых составляющих в атмосфере.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006. World Meteorological Organization, Global Ozone Research and Monitoring Project [TeKCT]/Report № 50. -WMO, 2007.
2. Atmospheric remote sensing by microwave radiometry [TeKCT]/Ed. M.A.Janssen. -NY: J.Wiley & Sons, 1993.-Ch.7.
3. Соломонов, С.В. Спектральные исследования атмосферного озона на миллиметровых радиоволнах [Текст]/С.В. Соломонов, Е.П. Кропоткина, С.Б. Розанов/Монография «Оптическая спектроскопия и стандарты частоты»; под. ред. Л.Н. Синицы, Е.А. Виноградова.-Томск: Изд. Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2004.-С.52-85.
4. Саенко, И.И. Особенности применения акусто-оптоэлектронного процессора в радиометре для дистанционного зондирования атмосферы [Текст]/И.И. Саенко, С.И. Иванов//Тез. докл. конф. Лазеры. Измерения. Информация. -СПб.-2008.-С. 58-59.
5. [Электронный ресурс] http://www.exponenta.ru/ soft/mathcad/usersguide/
6. Lecacheux, A. [Текст]/А. Lecacheux, C. Roso-len, P. Dierich [et al.]//Int. J. IR and MM Waves.-1993.-Vol. 14.-№ 2.-P. 169-183.
7. Саенко, И.И. Повышение точности спектральных измерений в микроволновом озонометрическом комплексе с оптоэлектронным спектрометром [Текст]/ И.И. Саенко, С.И. Иванов//Тез. докл. конф. Лазеры. Измерения. Информация. -СПб, 1-3 июня 2010. -Изд-во Политехн. ун-та, 2010.-С. 57-58.
8. Esepkina, N.A. Performance of the microwave radiometer with acousto-optical spectrum analyzer for ozone measurements [Текст]/Ы.А. Esepkina, S.K. Kruglov, V.N. Leonov, A.N. Lukin, S.B. Rozanov, I.I.Saenko,
S.V. Solomonov//Proc. SPIE. -2003. -Vol. 5066. -P. 236-243.
9. Есепкина, Н.А. Радиометрический комплекс с акустооптическим анализатором спектра для исследований атмосферного озона на частоте 142 ГГц [Текст]/Н.А. Есепкина, Е.П. Кропоткина, С.К. Круглов,
B.Н. Леонов, А.Н. Лукин, С.Б. Розанов, И.И. Саенко,
C.В.Соломонов//Успехи сов. радиоэлектрон. -2003. -№ 1. -С. 52-60.
10. Keating, G.M. Improved ozone reference models for the COSPAR international reference atmosphere[Текст]/ G.M. Keating, L.S. Chiou, N.C. Hsu//Adv. Space Res. -1996. -Vol. 18. № 9/10.-P. 11-58.
11. Есепкина, Н.А. Микроволновый радиометрический комплекс с акустооптическим спектроанализа-тором для мониторинга атмосферного озона на миллиметровых волнах [Текст]/Н.А. Есепкина, С.К. Круглов,
B.Н. Леонов, А.Н. Лукин, С.Б. Розанов, И.И. Саенко,
C.В. Соломонов//Тез. докл. Всерос. конф. Лазеры для медицины, экологии и биологии. -СПб, 21-22 ноября 2001.-С.29-30.
12. Есепкина, Н.А. Характеристики акустооп-тического спектрометра для дистанционного зондирования атмосферы на миллиметровых радиоволнах [Текст]/Н.А. Есепкина, С.К. Круглов, С.Б. Розанов, И.И. Саенко, С.В. Соломонов//Письма в ЖТФ.-2002. -Т. 28.-№10.-С. 35-40.
13. Розанов, С.Б. Создание радиоспектрометров в 1,5- и 2-миллиметровом диапазонах длин волн для атмосферных исследований с оптимизированными характеристиками [Текст]/ С.Б. Розанов, И.И. Собельман, В.Г. Божков, Н.А. Есепкина, А.Н. Игнатьев, Е.П. Кропоткина, С.К. Круглов [и др.]//Изв. вузов. Сер. Радиофизика. -2005.-Т. 48.-№ 10-11.-С.857-862.
