Адаптивний супутниковий спектрофотометр

Реферат: Винахід належить до оптичних приладів, які використовуються для вивчення спектрального складу, находження спектральних характеристик об'єкту та спектрального аналізу. Технічною задачею представленого патенту є зменшення динамічного діапазону. Як результат, може бути збільшена точність виміру загального вмісту речовин в атмосфері Землі. Аналіз інформації про розподіл у земній атмосфері різних малих домішок показав, що характер цього розподілу є суттєво зональним. Тому зменшити динамічний діапазон пропонується додаванням регульованої діафрагми та елементу пам'яті, який розрахований на збереження одного числа у форматі, що відповідає аналого-цифровому перетворювачу, отриманого при попередньому вимірі характеристики. UA 100445 C2 (12) UA 100445 C2 UA 100445 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до оптичних приладів, які використовуються для вивчення спектрального складу по довжинах хвиль у оптичному діапазоні, знаходження спектральних характеристик об'єкту та спектрального аналізу. Відомий супутниковий спектрофотометр для виміру загального вмісту малих домішок у атмосфері TOMS [1], який є прототипом до представленого винахoду, складається з послідовно зв'язаних між собою оптико-механічної системи (1), дифракційної решітки (2), фотоелектронного посилювача (4) та аналого-цифрового перетворювача (5), з'єднаного з таймером (6), де складова світлового потоку, потужність якої оцінюється у деякий момент часу, потрапляє на вхід оптико-механічної системи (1), з її виходу ця складова потрапляє на дифракційну решітку (2), з неї до фотоелектронного посилювача (4), далі до аналого-цифрового перетворювача (5), вихід якого є загальним виходом цього пристрою. Оптико-механічна система (1) спрямовує загальний світловий потік на дифракційну решітку (2), яка відхиляє на той чи інший кут різні його спектральні складові. Спектральна складова цього потоку, що вивчається, потрапляє на фотокатод фотоелектронного посилювача (4), на виході якого при цьому виникає електрична напруга, що є пропорційною до середньої потужності цієї складової. Цей посилювач настроєний так, що найнижча та найвища межи його динамічного діапазону відповідають мінімально можливому та максимально можливому рівням середньої потужності світлового потоку, що можуть потрапити на нього. Напруга, що утворюється на виході фотоелектронного посилювача (4) впливає на вхід аналого-цифрового перетворювача (5), на другий вхід якого від таймера (6), у момент часу, коли необхідно здійснити вимірювання, надходить імпульс. При цьому на виході аналогоцифрового перетворювача (5) формується числовий код, значення якого прямо пропорційне зазначеній напрузі. Цей код є вихідним сигналом супутникового спектрофотометра. Таймер (6) випрацьовує послідовність імпульсів з необхідними параметрами, період повторювання якої T визначається як   , де Т - період обертання супутника, а N - кількість вимірювань, що N здійснюються за період одного обертання. Завдяки тому, що координати супутника у кожен момент часу, коли здійснюються вимірювання, у наземному центрі обробки інформації відомі, надходження від нього результатів дозволяє здійснити їх просторову прив'язку. Розглянутий пристрій є простим, надійним, здатним працювати автоматично та дозволяє у необхідний момент часу оцінити середню потужність спектральної складової світлового потоку, що вивчається. Завдяки цьому він вживається, як супутниковий спектрофотометр, на штучних супутниках Землі (Earth Probe та всіх інших), які здійснюють глобальний моніторинг розподілу різних малих домішок, корисних та шкідливих речовин у земній атмосфері. Практичне використання цього супутникового спектрофотометра показало, що поряд з зазначеними позитивними особливостями, йому властивий також суттєвий недолік - рівень точності оцінок середньої потужності складової світлового потоку, що вивчається, не завжди задовольняє вимогам дослідників. Причиною цього є те, що динамічний діапазон у якому відбуваються зміни характеристики, що вивчається є порівняно широким. Внаслідок цього, при перетворенні середньої потужності складової світлового потоку, що реєструється, у електричну напругу виникають нелінійні викривлення. Завдяки ним зміни сигналів на виході та вході фотоелектронного посилювача, що виникають при кожному оберті супутника навколо Землі, є пропорційними лише приблизно. Рівень похибок, що виникають при цьому є дуже великим. Таким чином, технічною задачею представленого патенту є зменшення динамічного діапазону у якому можливі зміни світлового потоку, що вивчається. Як результат, може бути збільшена точність виміру загального вмісту речовин в атмосфері Землі. Як показав аналіз інформації [2] про розподіл у земній атмосфері різних малих домішок, корисних та шкідливих речовин, характер цього розподілу є суттєво зональним. Тому зменшити динамічний діапазон, у якому працює фотоелектронний посилювач (4) можливо додавши до составу спектрофотометра таких частин, які б зберігали значення коду отриманого при попередньому вимірі. Ці значення в свою чергу пропонується використовувати для настройці динамічного діапазону фотоелектронного посилювача (4). Структурна схема запропонованого пристрою представлена на рисунку. Оптико-механічна система (1) спрямовує загальний світловий потік на дифракційну решітку (2), яка відхиляє на той чи інший кут різні його спектральні складові. Спектральна складова цього потоку, що вивчається, при цьому потрапляє на регульовану діафрагму (3), яка змінює її середню потужність. З виходу регульованої діафрагми (3) світловий потік надходить до фотокатоду фотоелектронного посилювача (4), на виході якого при цьому виникає електрична напруга, що є пропорційною до середньої потужності цієї складової. Цей посилювач (4) настроєний так, що найнижча та найвища межи його динамічного діапазону відповідають 1 UA 100445 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мінімально можливому та максимально можливому рівням середньої потужності світлового потоку, що можуть потрапити на нього. Напруга, що утворюється на виході фотоелектронного посилювача (4), впливає на вхід аналого-цифрового перетворювача (5), на другий вхід якого від таймера (6), у момент часу, коли необхідно здійснити вимірювання, надходить імпульс. При цьому на виході аналогоцифрового перетворювача (5) формується числовий код, значення якого прямо пропорційне зазначеній напрузі. Цей код потрапляє на другий вхід суматора (7), вихід якого є загальним виходом супутникового спектрофотометра. З виходу суматора (7) код, що утворився на ньому, потрапляє на вхід елемента пам'яті (8), з виходу якого відповідний код потрапляє на перший вхід суматора (7), та керуючий вхід регульованої діафрагми (3). Елемент пам'яті (8) розрахований на збереження одного числа у форматі, що відповідає аналого-цифровому перетворювачу (5), отриманого при попередньому вимірі характеристики. Цей код далі подається на керуючий вхід регульованої діафрагми (3) та на вхід 1 суматора (7). При цьому регульована діафрагма (3) змінює свій стан так, щоб середині динамічного діапазону фотоелектронного посилювача (4) відповідала середня потужність світлового потоку, яка була зафіксована спектрофотометром при попередньому вимірі. Аналого-цифровий перетворювач (5) настроєний так, що нульове значення коду на його виході відповідає середині динамічного діапазону фотоелектронного посилювача (4). Тому у суматорі (7) до коду, який відповідає середній потужності світлового потоку, яка була зафіксована на попередньому оберті (що надходить з входу 1) додається код відхилення від неї середній потужності світлового потоку, який впливає на фотоелектронний посилювач (4), що надходить з входу 2. Внаслідок цього динамічний діапазон, що надходить до фотоелектронного посилювача (4), при будь яких параметрах орбіти та N є менш широким, ніж у прототипу. Завдяки цьому нелінійні викривлення при перетворенні світлового сигналу у електричний відчутно зменшуються, що дозволяє підвищити точність супутникового спектрофотометра. Як приклад можливості здійснення винаходу покажемо придатність його використання для виміру загального вмісту озону (ЗВО). У системах моніторингу ЗВО нижня та верхня межи динамічного діапазону відповідають значенням цієї характеристики 100 та 650 одиниць Добсона (о.Д.). Але, як показав аналіз інформації [2] про розподіл у земній атмосфері ЗВО, що отримана за допомогою супутникового спектрофотометра TOMS, який працює на штучних супутниках Землі (Nimbus-7, Meteor-3, ADEOS, Earth Probe), у будь який час над всією земною поверхнею максимальна різниця між значеннями ЗВО, отриманими при двох послідовних вимірах не перевищує 25 о.Д. Таким чином при вимірюванні ЗВО над наступним квадратом земної поверхні середнє значення динамічного діапазону фотоелектричного перетворювача може бути настроєне на значення, отримане при попередньому вимірі, а відхилення від середнього у більшу чи меншу сторону повинно дорівнювати 25 о.Д. Для включення також ситуацій екстремальної різниці між значеннями ЗВО над двома послідовними квадратами земної поверхні, що вимірює супутниковий спектрофотометр, пропонується збільшити відхилення у кожну з сторін до 50 о.Д. Таким чином динамічний діапазон фотоелектронного посилювача буде дорівнювати 100 о.Д., що менше у 5,5 разів порівняно до прототипу та дозволить підвищити точність вимірювання ЗВО також у 5,5 разів. Це є підтвердженням наявності позитивного ефекту від запропонованого виноходу. Покажемо, що технічне виконання запропонованого пристрою є цілком можливим. Припустимо що адаптивний спектрофотометр встановлений на штучному супутнику Землі Earth Probe (NASA), де на сьогоднішній день працює прототип винаходу - спектрофотометр TOMS. Світловий потік, що потрапляє на оптико-механічну систему (1) спектрофотометра, далі попадає на дифракційну решітку (2). Ці частини винаходу не відрізняються від тих, що встановлені на прототипі TOMS. Як регульована діафрагма (3), яка змінює середню потужність світлового потоку може, наприклад, виступати діафрагми, що успішно використовуються на відомих фотоапаратах. Світловий потік попадає до оптико-механічної системи (1) запропонованого спектрофотометра, що структурно не відрізняється від системи прототипу, спрямовує загальний світловий потік на дифракційну решітку (2), яка відхиляє на той чи інший кут різні його спектральні складові. Спектральна складова цього потоку, що вивчається, при цьому потрапляє на регульовану діафрагму (3), яка змінює її середню потужність. З виходу регульованої діафрагми (3) світловий потік надходить до фотокатоду фотоелектронного посилювача (4), на виході якого при цьому виникає електрична напруга, що є пропорційною до середньої потужності цієї складової. Цей посилювач (4) настроєний так, що найнижча та найвища межи 2 UA 100445 C2 5 10 15 20 25 30 35 його динамічного діапазону відповідають мінімально можливому та максимально можливому рівням середньої потужності світлового потоку, що можуть потрапити на нього. Напруга, що утворюється на виході фотоелектронного посилювача (4) впливає на вхід аналого-цифрового перетворювача (5), на другий вхід якого від таймера (6), у момент часу, коли необхідно здійснити вимірювання, надходить імпульс. При цьому на виході аналогоцифрового перетворювача (5) формується числовий код, значення якого прямо пропорційне зазначеній напрузі. Цей код потрапляє на другий вхід суматора (7), вихід якого є загальним виходом супутникового спектрофотометра. З виходу суматора (7) код, що утворився на ньому, потрапляє на вхід елемента пам'яті (8), з виходу якого відповідний код потрапляє на перший вхід суматора (7), та керуючий вхід регульованої діафрагми (3). Елемент пам'яті (8) розрахований на збереження одного числа у форматі, що відповідає аналого-цифровому перетворювачу (5), отриманого при попередньому вимірі характеристики. Цей код далі подається на керуючий вхід регульованої діафрагми (3) та на вхід 1 суматора (7). При цьому регульована діафрагма (3) змінює свій стан так, щоб середині динамічного діапазону фотоелектронного посилювача (4) відповідала середня потужність світлового потоку, яка була зафіксована спектрофотометром при попередньому вимірі. До опису додається один рисунок, що відображає структурну схему запропонованого винаходу. Джерела інформації:: 1) Richard D. McPeters et al. Earth Probe Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) Data Products User's Guide / NASA Technical Publication, National Aeronautics and Space Administration, 1998.-70 pp. 2) http://www.woudc.org ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Супутниковий спектрофотометр для виміру загального вмісту малих домішок у атмосфері Землі TOMS, що складається з послідовно зв'язаних між собою оптико-механічної системи, дифракційної решітки, фотоелектронного посилювача та аналого-цифрового перетворювача, з'єднаного з таймером, де складова світлового потоку, потужність якої оцінюється у деякий момент часу, потрапляє на вхід оптико-механічної системи, з її виходу ця складова потрапляє на дифракційну решітку, з неї до фотоелектронного посилювача, далі до аналого-цифрового перетворювача, вихід якого є загальним виходом цього пристрою, який відрізняється тим, що для підвищення точності внесені наступні додаткові елементи: регульована діафрагма, що включена послідовно поміж виходом дифракційної решітки та входом фотоелектронного посилювача, керуючий вхід якої зв'язаний з виходом елемента пам'яті, що з'єднаний також з першим входом суматора, другий вхід якого зв'язаний з виходом аналого-цифрового перетворювача, що у свою чергу з'єднаний також зі входом першим суматора, керуючий вхід елемента пам'яті зв'язаний з виходом таймера; вихід суматора є загальним виходом пристрою. 3 UA 100445 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4