Akustooptichesky_spektrometr_SPIKAM_6 (1239100), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

ИК канал прибора на основе акустооптического фильтра расположен сбоку УФ-спектрометра СПИКАМ на том же основании (Рис. 1). Основные характеристики прибора приведены в Табл.1.

Солнечное излучение, отраженное и рассеянное в атмосфере Марса собирается при помощи телескопа, оптическая ось которого параллельна оси УФ-спектрометра и других приборов Марс-Экспресс, предназначенных для наблюдений в надир. Телескоп собран по схеме Галилея и имеет фокальное отношение 1:1.4. Входной объектив трехлинзовый диаметром 30 мм, в фокальной плоскости телескопа расположена круглая диафрагма Ø1 мм, ограничивающая поле зрения прибора, а выходной объектив двухлинзовый.

В приборе использован акустооптический фильтр на основе кристалла парателлурита в особой неколлинеарной конфигурации [29], обеспечивающий высокую разрешающую силу в относительно широком угловом пучке. Для разделения падающего и дифрагировавшего излучения в данной конструкции использовано изменения направления распространения излучения при дифракции. Диафрагма поля ограничивает угловую апертуру света, и в падающем на акустооптическую ячейку пучке отсутствуют лучи с отклонением от оптической оси >2.5°. Угол дифракции составляет 7.5° и слабо зависит от длины волны. Все излучение с длинами волн, отличными от резонансной не дифрагирует и не меняет направления распространения. Две поляризации разводятся в разные стороны симметрично от направления падающего излучения. Такая кристаллографическая конфигурация, в которой одновременно формируются узкие полосы с практически совпадающей длиной волны пропускания, является единственной для TeO₂. Расчетные параметры ячейки приведены Табл 2. Эффективная длина взаимодействия свет-звук 23 мм, а рабочий размер светового пучка в кристалле 46 мм. После акустооптической ячейки световые пучки расходятся в угле 5° (Рис1). Линза, установленная после ячейки, формирует перетяжки, в которых сосредоточены потоки полихроматического и монохроматического отфильтрованного излучения. Полихроматическое (недифрагировавшее) излучение улавливается ловушкой. Если акустическая волна выключена, весь световой поток проходит через кристалл и попадает в ловушку. Когда включается сигнал высокой частоты, возникают два слабых полезных монохроматических пучка, собираемых на двух фотоприемниках при помощи дополнительных короткофокусных линз. Таким образом, если не подана мощность возбуждения, свет на фотоприемник не попадает, что используется в приборе для модуляции сигнала.

В качестве фотоприемников использованы InGaAs фотодиоды G5832-11 (производства фирмы Hamamatsu); диаметр чувствительной области 1 мм, охлаждаемые при помощи интегрированного однокаскадного охладителя Пельтье на t°25°. Детекторы с короткофокусными линзами и предусилители собраны в экранированный блок детекторов; на нем же укреплена ловушка «белого» света.

Оба канала прибора СПИКАМ-УФ и -ИК имеют возможность измерять вертикальные профили атмосферных составляющих методом солнечного просвечивания. Наведение на Солнце производится разворотом КА, точности ориентации которого (10’) достаточно для измерений методом просвечивания. Интенсивность прямого солнечного излучения слишком высока, и использовать одни и те же оптические входы для наблюдений в надир и для солнечного просвечивания невозможно. Для ввода солнечного излучения в УФ и ИК каналы предусмотрен специальный солнечный вход с малой апертурой, направленный под углом 60° плоскости, перпендикулярной к направлению в надир. Свет в УФ спектрометр направляется непосредственно при помощи маленького плоского зеркала, а для ИК канала использовано оптоволокно длиной около 150 мм с дополнительными оптическими элементами. Линза и 80-мкм диафрагма поля на входе оптоволокна формируют круглое поле зрения солнечного входа диаметром около 4 угл. с. Коллимирующая градиентная линза восстанавливает квазипараллельный пучок на выходе оптоволокна, а небольшое зеркало, укрепленное на бленде ИК объектива под углом 45° направляет этот пучок в апертуру ИК-спектрометра.

ИК-спектрометр на основе АОПФ входит в состав УФ спектрометра, но из соображений удобства сборки и тестирования он собран на специальной промежуточной плите из алюминиевого сплава. Акустооптическая ячейка с телескопом собрана как самостоятельный экранированный блок с размерами 1046040 мм и массой 330г. Этот блок, включающий синтезатор и усилитель высокой частоты позволяет изолировать все ВЧ компоненты прибора в едином экранированном объеме. Телескоп собран в жесткой трубчатой конструкции, точность расположения оптических элементов которой определяется допусками изготовления. Телескоп укреплен на блоке АОПФ. Перед телескопом на промежуточной плите укреплена небольшая бленда (не показана на Рис. 1), которая служит также для закрепления оптоволокна и поворотного зеркала системы ввода солнечного излучения.

4. Измерительная система АОПФ спектрометра

Блок-схема измерительной системы ИК-спектрометра СПИКАМ приведена на Рис. 2. Цифровой синтезатор частоты и усилитель мощности с системой согласования импеданса размещены в экранированном блоке АОПФ в непосредственной близости от акустического преобразователя. Синтезатор состоит из широкополосного генератора, управляемого напряжением, стабилизированного через фазовую обратную связь. Генератор перестраивается в диапазоне 860-1450 МГц; затем частота делится на 10. Усилитель мощности позволяет изменять мощность, приложенную к акустическому преобразователю. Таким образом, управляемыми параметрами являются частота и мощность ВЧ, а также статус ON/OFF ВЧ. Номинальный диапазон частот синтезатора от 87 до 140 МГц определяет длину волны настройки АОПФ. Когда статус ON/OFF=1, к кристаллу прикладывается акустическая мощность и возникает дифракция. Когда ON/OFF=0, мощность выключена и эффективность дифракции равна нулю. В это время можно менять частоту АОПФ. Во время измерения, АОПФ включен 50% времени и выключен в течение других 50%. Измерительная схема не пропускает постоянный ток, в результате детектирующая система регистрирует только полезный (модулированный) сигнал и нечувствительна к посторонним засветкам. Период модуляции АОПФ (или время измерения одной спектральной точки) может быть 1.4, 2.8, 5.6 и 11.2 мс.

Предусилители фотоприемников расположены в экранированном блоке детекторов. Каждый из фотоприемников снабжен преобразователем ток-напряжение (фототок 1 нА дает 10 мВ на выходе). Далее сигнал усиливается программируемым усилителем с относительными значениями усиления 1, 3, 8.25 и 26. В результате полный коэффициент передачи усилителей изменяется от 2.1*10⁹ до 5.46*10¹⁰ В/А, а полоса пропускания по уровню –3dB составляет 1.6-560 Гц. Такая полоса является компромиссной с точки зрения уменьшения шума с одной стороны, и искажения сигнала – с другой. Программируемый усилитель, АЦП и контроллер прибора размещены на общей плате контроллера. Обработка модулированного сигнала (синхронное детектирование) производится в цифровой форме. В течение каждого полупериода производится 16 равномерно распределенных измерений. Результаты суммируются, и из суммы 16 измерений в течение активного полупериода вычитается сумма 16 измерений в течение неактивного полупериода. Результат округляется, и 12 старших бит считаются измеренной точкой спектра. Таким образом, в приборе реализована классическая схема синхронной модуляции, хотя синхронный детектор в обычном понимании отсутствует. «Мертвое время» спектрометра составляет около 120 мкс в течение каждого полупериода, что составляет <4% для 2.8 мс и еще меньше для периода 5.6 или 12 мс. Задержка необходима для исключения переходных процессов после включения или выключения акустической волны в АОПФ. Частота возбуждения АОПФ может быть изменена при каждом измерении, и, следовательно, элементарное измерение (одна точка спектра) состоит из одного периода модуляции. Новое измерение начинается с установки новой частоты возбуждения во время неактивного полупериода предыдущего измерения, так что все переходные процессы заканчиваются к началу активного полупериода.

Обработка сигналов и общее управление работой прибора и синхронизация процессов измерения проводится с помощью микроконтроллера, который получает команды и пересылает измеренные данные в блок электроники, общий для всего прибора СПИКАМ Лайт. Помимо сигналов с двух фотодетекторов передается информация от нескольких дополнительных источников, индикатора ВЧ мощности, датчиков температуры и т.д.

5. Наземные испытания и калибровки

В рамках подготовки программы Марс-Экспресс были созданы четыре комплекта аппаратуры ИК канала СПИКАМ: прототип, модель для испытаний и две летные модели. Все модели выдержали многочисленные функциональные и квалификационные, в частности, вибрационные и термовакуумные испытания. Например, модель для испытаний проходила вибрационные испытания четыре раза без промежуточной разборки и каких-либо починок в составе прибора СПИКАМ и отдельно. В связи с особенностями конструкции КА Марс-Экспресс, нормативы по вибрациям в несколько раз жестче обычных, несмотря на это, никаких проблем с АОПФ констатировано не было.

Для калибровки прибора мы использовали несколько лабораторных источников непрерывного и линейчатого спектра: диодные (1224 и 1565 нм) и HeNe (1152 нм) лазеры, газоразрядная лампа низкого давления ртуть-аргон (HgAr) и калиброванная галогенная лампа накаливания. Примеры калибровочных спектров приведены на Рис. 3.

Соответствие длины волны фильтрации и частоты возбуждения АОПФ установлено при помощи источников линейчатого спектра: HgAr лампа и HeNe лазер. Лампа ртуть-аргон низкого давления (Oriel Instruments) имеет несколько сильных линий достаточно удачно расположенных в спектральном диапазоне ИК-спектрометра: 1128.3, 1356.7, 1367.1 и 1529.3 нм. Дисперсия кристалла АОПФ заметно зависит от температуры, и калибровка прибора на основе АОПФ по длине волны будет меняться при изменении температуры кристалла из-за прогрева в процессе работы или при изменении внешних условий (относительное изменение длины волны ~10^-5 град^-1). Калибровки каждой модели АОПФ спектрометра по длине волны проводились в климатической камере с использованием лампы HgAr в температурном диапазоне –20…+40°C. Акустооптическая ячейка снабжена температурным датчиком, и с учетом температурного дрейфа.

Дисперсионная кривая АОПФ в общем случае описывается функцией:

, (4)

где a и b зависят от температуры. Эта зависимость аппроксимируется полиномами, коэффициенты которых для каждого канала находятся отдельно. Для второго канала зависимость длины волны от частоты была найдена именно в таком виде. Коэффициенты равны:

a = –3.6228649 t²+2464.6217 t+13690971

b = –5.4920304 10^-6 t²+0.0044824233 t+71.220396,

Шум первого канала несколько ниже, и для него была найдена более точная зависимость в форме:

λ = 136700000/f-0.0000000000653f ²+74.43+0.0285t+0.0001t²

где t – показания температурного датчика в °С, λ – длина волны в нм. f – частота в кГц.

Точность такой калибровки получилась не хуже ± 0.2-0.3 нм в диапазоне 1100 – 1600 нм. Кроме того, калибровки были откорректированы и постоянно контролировались по положению солнечных линий и полос газового поглощения в измеренных спектрах на орбите Марса.

Аппаратная функция прибора измерена также с использованием линий лампы HgAr, которые можно считать узкими. Теоретически, аппаратная функция АОПФ описывается функцией (sinx/x)², а спектральное разрешение, выраженное в обратных сантиметрах в первом приближении постоянно в пределах спектрального диапазона. Измеренная аппаратная функция несколько асимметрична (Рис. 4); зависимость спектрального разрешения (точнее полуширины или ширины на половине высоты) от длины волны приведена в табл. 3. Таким образом, разрешающая сила АОПФ спектрометра в важном для измерения водяного пара диапазоне 1.38 мкм составляет ≈1800, а в диапазоне около 1 нм разрешающая сила превышает 2300.

Чувствительность прибора, приведенная в Табл. 1 оценена на основании спектра калиброванной лампы накаливания и измерений реального спектра солнечного света, прошедшего через земную атмосферу. Такие измерения были проведены для всех моделей прибора с использованием различных отражающих поверхностей. Были также измерены спектры прямого солнечного света через солнечный вход прибора. Пример атмосферного спектра в такой конфигурации приведен на Рис. 5. Более точная фотометрическая калибровка прибора проведена в полете (см. ниже).

6. Режимы измерения

Универсальный спектрометр СПИКАМ в полной мере использует преимущества наведения и поддержания ориентации, предоставляемые КА Марс-Экспресс. Рассмотрим основные режимы измерений прибора в целом, схематично изображенные на Рис 6.

Надир: основной рабочий режим для исследования содержания водяного пара, озона, свойств атмосферного аэрозоля и подстилающей поверхности Марса. Оптические оси прибора направлены в ту же сторону, что и остальные картирующие приборы проекта (Стерео камера (HRSC), ОМЕГА, ПФС). Измерения возможны на освещенной стороне планеты от терминатора до терминатора включительно. Наблюдения на терминаторе предназначены для исследования свойств атмосферного аэрозоля. Поле зрения в надир в ИК канале 1°; в УФ канале ~15 угл мин. ИК и УФ каналы работают одновременно.

Солнечное просвечивание: режим предназначен для измерений профилей озона и плотности атмосферы в УФ, профилей водяного пара в ИК, вертикальной структуры и оптических характеристик аэрозоля в обоих каналах с высоким отношением сигнал/шум. В течение миссии будут несколько периодов солнечных затмений, координаты которых перекрывают широкий диапазон широт. Наведение на Солнце осуществляется КА, в течение захода или восхода должна поддерживаться инерциальная ориентация. ИК и УФ каналы работают одновременно.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы