Способ, устройство и система прецизионных многополевых синхронных адаптивных замеров и мониторинга внешней среды Российский патент 2023 года по МПК G01B11/02 

Область техники

Изобретение относится к устройствам детектирования слабых возмущений окружающей среды и может применяться в медицине, геофизике, геологии, авиации, космосе, на транспорте и т.д., в качестве приемника при пассивной и активной прецизионной локации источников возмущений и непрерывного мониторинга с оценкой (прогнозированием) характеристик источников возмущений и наблюдаемых предметов (объектов, природных явлений).

Предшествующий уровень техники

При патентном поиске прямых аналогов заявляемому изобретению обнаружено не было. В описании выделены основные составляющие заявленного изобретения, по каждому из которых найдены патенты, отражающие предшествующий уровень техники.

Данное изобретение - связано с уровнем техники обеспечивающей непрерывный мониторинг (измерение, оценка, прогнозирование, регистрация), в широком диапазоне, процессов слабого воздействия на окружающую среду посредством регистрирующих элементов в электромагнитном, акустическом, ионизационном и гравитационном полях.

Основное направление развития современной детектирующей аппаратуры, применяемой в геологии, геодезии, космосе, радиолокации, навигации и т.д. - состоит в улучшении их параметров - разрешения, чувствительности, достоверности, динамического диапазона и прочее.

К числу наиболее распространенной аппаратуры, применяемой в компактных локационных приборах, системах и комплексах в качестве приемных устройств для мониторирования процессов во внешней среде являются, в частности, видеоустройства на основе CCD- и CMOS-матриц чувствительных в разных частях электромагнитного спектра с разного рода ручным или автоматическим механическим или электромеханическим управлением, что отражено, например, в патентах РФ 2526948, USA 6638216, заявке на изобретение US 20100125166, а также в описаниях многочисленных аппаратов, в том числе видеоэндоскопов, производимых промышленно, например - Olympus Visera модель А50003А (PAL).

Аппаратура данного типа не решает таких важных для сегодняшнего дня проблем в мониторировании как ограниченность мониторной информации только видимой и ближней инфракрасной областью электромагнитного спектра, а также отсутствие единой навигационно-информационной системы (данные, в том числе архивные и калибровочные) по рабочей области и отсутствие высокоуровневой системы мониторирования воздействий во время сеанса локации, включающей информацию в расширенном диапазоне электромагнитного, акустического спектров и ионизационного и гравитационного возмущений с детализацией временной структуры отклика внешней среды на воздействие.

Исходя из описанного состояния предшествующего уровня техники, актуальной задачей является разработка компактного устройства для прецизионного мониторирования окружающей среды.

Сущность изобретения и краткое описание чертежей

Предлагается использование методов лазерной 2-х лучевой интерферометрии [1] для непрерывного измерения длины бруска (длина одного из трех размеров существенно превышает остальные), изготовленного с оптическим качеством поверхностей из кристаллического, поликристаллического или аморфного вещества высокой чистоты и однородности, которые позволяют создать компактное устройство для детектирования слабых возмущений внешней среды в широком диапазоне частот акустического и электромагнитного полей, а также гравитационного.

Гравитационное поле, приложенное вдоль длинных ребер бруска, в большей или меньшей степени, сжимает брусок, стоящий на подставке, в зависимости от величины ускорения свободного падения в данной области пространства; акустическая волна (если брусок находится в плотной среде или его входное окно соприкасается со средой распространения) оказывает механическое воздействие на брусок, и, в соответствии со своим периодом, также сжимает и растягивает его; электромагнитная волна с длиной превышающей длину бруска, распространяясь от входного окна вдоль направления длинных ребер, имея градиент электрического поля вдоль направления распространения - воздействует на заряженные компоненты (электроны, ядра атомов) вещества бруска и также сжимает и растягивает его в соответствии с этим периодом.

Интерферометрические методы обеспечивают рекордную точность измерения длин. Так основной частью детекторов, регистрирующих гравитационные волны в экспериментах Ligo и Virgo, является лазерный интерферометр Майкельсона, достигнутые точности измерения длин составляют ~10^-19-10^-20 м [2]. На практике, лабораторные интерферометры измеряют изменения расстояний с точностью не хуже ~10^-10 м. Проводя аналогичные по точности измерения длины бруска непрерывно с малым шагом по времени ~10^-9 с, есть возможность следить за изменением во внешней среде акустических и гравитационных полей и - в поддиапазоне (длина волны больше длины бруска) - электромагнитных полей.

Дополнение интерферометрической измерительной части (на прозрачном в соответствующих диапазонах) бруска, болометрическими и квантовыми детекторами пиксельного типа с размером пиксела в десятки микрон (промышленные образцы) для регистрации квантов электромагнитного поля в диапазоне ~0,200-1000 мкм и радиоволн в сантиметровом диапазоне - перекрывает диапазон электромагнитных волн от сверхдлинных радиоволн до ультрафиолета ~0,2 мкм. Кроме того, указанное дополнение позволяет регистрировать заряженную компоненту ионизационного излучения (эффективность близка к 100%) и нейтральное гамма- и нейтронное излучение по световому отклику на прохождение частиц в специально выбранном веществе бруска.

Включение в состав измерительной части бруска датчиков температуры и электрического потенциала дает возможность вносить поправки в принимаемые данные, диктуемые медленными изменениями (дрейф) параметров полей внешней среды.

На массиве получаемых непрерывно основных и дрейфовых данных измерений, сопряжения их с данными калибровок измерителей и модельных представлений о процессах рассматриваемых полей в окружающей среде - в вычислителе синтезируется непрерывная во времени с синхронизацией замеров детектируемых полей, мониторинговая картина состояния внешней среды с фиксацией во времени и пространстве всякого рода возмущений и их прогнозируемых (вычисляемых) источников.

Для одновременного замерного перекрытия практически полностью всех поддиапазонов частот колебаний, указанных выше полей, необходимо использовать набор из брусков с соответствующей каждому бруску измерительной частью описанной выше. Условием отбора материалов для изготовления брусков является достижение перекрытия по чувствительности набором брусков всех заданных поддиапазонов частот колебаний обсуждаемых полей во внешней среде. В этом случае суперпозиция измерений влияний полей внешней среды на каждый брусок дает возможность получить временную (зависящую от времени) картину эволюции внешней среды.

Число чувствительных элементов - брусков - в одном устройстве может быть разным и целиком определяется задаваемым уровнем эффективности решения поставленной задачи. Выбор схемы расположения чувствительных элементов, их формы и состава материала элемента - также не единственен и диктуется условиями решаемой задачи. Наиболее простой и важный тип конфигурации с минимально необходимым числом - пять - чувствительных элементов размером 1x1x5 см³.

Необходимо указать на масштабную инвариантность в реализации устройства, другими словами, можно создавать устройства с размером чувствительного элемента, к примеру, 1x1x5 мкм, 1x1x5 мм, 1x1x5 м и т.д. Технологичность создания измерительных частей чувствительных элементов и самих чувствительных элементов при малых их размерах осуществляется с помощью изобретения [3].

Полное перекрытие интересующей (рабочей) области частот колебаний полей во внешней среде обеспечивается следующим набором материалов брусков:

1. кварцевое стекло (оптическое) [4], преимущество при регистрации акустических волн и электромагнитных волн с длинной волны более длины бруска;

2. бескислородная медь [5], преимущество при регистрации электромагнитных волн с длинной волны более длины бруска;

3. кремний высокоомный оптический, выращенный методом зонной плавки (HRFZ-Si), прозрачен в широком диапазоне длин волн от 1.2 микрон до 1000 микрон и даже больше [6], преимущество при регистрации акустических волн и электромагнитных волн терагерцового диапазона;

4. вольфрам, плотность 19,25 г/см³, лин. коэфф. теплового расширения ~4,3 при 0 град. Цельсия [7], преимущество при регистрации изменений гравитационного поля;

5. кристалл LYSO, сцинтиллирующий материал, негигроскопичен, плотность -7.1 г/см³, очень малое время высвечивания - 36 не, световыход - 33200 фотонов/МэВ [8], преимущество при регистрации ионизирующих излучений, в том числе нейтральной компоненты.

Кроме особой чувствительности в выделенных диапазонах и полях каждый брусок имеет чувствительность к акустическим, электромагнитным, гравитационным и ионизирующим возмущениям окружающей среды. На фиг. 1 представлена структура устройства многополевых синхронных адаптивных замеров и мониторирования внешней среды, в которой расположение чувствительных элементов 1-5 в рассматриваемом варианте компоновки устройства в форме типа «коробка».

В этом варианте устройства, направление повышенной чувствительности совпадает с направлением длинных ребер. При размещении устройства в какой-либо металлической нише платформы-носителя и возможностью контакта с внешней средой лишь одной грани, устройство изначально размещается в тонком, прочном, многослойном электромагнитно-экранирующем каждый чувствительный элемент кожухе 6, являющимся одновременно и жестким каркасом устройства. Каждый чувствительный элемент закреплен в кожухе демпфирующими диэлектрическими антистатическими прокладками.

Все чувствительные элементы предварительно юстируются (калибруются).

Измерительная часть устройства основана на применении известных [1] 2-х лучевых интерферометров. Схема и расположение элементов 2-х лучевого интерферометра считывания длины чувствительного элемента приведена на фиг. 2 и 3. На фиг. 2 показана структура чувствительного элемента 1 устройства. Интерферометр считывания 8 длины чувствительного элемента закреплен на каркасе 7 устройства. На фиг. 3 изображен 2-х лучевой интерферометр считывания длины чувствительного элемента устройства. Основные составляющие интерферометра-измерителя длины чувствительного элемента устройства - отражающее напыление (торцевые зеркала 9); лазерный излучатель 10; пластина-делитель (ПД) лазерного луча 11, второй (отраженный от ПД) лазерный луч 12, первый (прямой) лазерный луч 13, пластина-компенсатор второго лазерного луча 14, позиционно-чувствительный детектор лазерного излучения 15.

Аналогично с помощью 2-х лучевых интерферометров, в области боковой и задней граней чувствительного элемента - контролируется ширина и высота бруска. Интерферометры закреплены на каркасе устройства.

Кроме того, в области тех же 3-х граней закреплены на каркасе дополнительные интерферометры, работающие в перпендикулярных плоскостях и непрерывно измеряющие среднее расстояние между каркасом и данной гранью.

Дополнительно, на гранях чувствительных элементов размещаются датчики пиксельного типа для замера температуры и электрического потенциала и детекторы фотонов пиксельного типа - фотодетекторы и радиодетекторы, чувствительные в разных частях спектра от терагерцового (длины волн до ~1000 мкм) до ближнего инфракрасного и ультрафиолетового (длины волн до ~0.2 мкм). При обработке сигналов с фото- и радиодетекторов подсчитывается число фотонов в зависимости от длины волны, то есть интенсивность излучения и его спектральный состав. В качестве фотодетекторов используются кремниевые фотоумножители (фирма SensL, SiPM [9]) с размером микроячейки (пикселя) 35x35 мкм и квантовой эффективностью ~50% для диапазона ~200-1000 нм. Фотодетекторы для диапазона 1-1000 мкм и радиодетекторы сантиметрового диапазона построены на антенно-связанных микроболометрах пиксельного типа (фирма Photonic Solutions, [10]) с чувствительностью не хуже 20 пВт/пиксель и поперечными размерами пикселя 50x50 мкм. В качестве датчиков температуры и потенциала использованы резистивные пиксельные датчики. Измерения длины, ширины, высоты бруска и средних расстояний между гранями и каркасом, замеры температуры, электрического потенциала и съем сигналов с фото- и радиодатчиков производятся с частотой ~1 ГГц. Таким образом, погрешность временной привязки событий (отсчетов) составляет не более 500 пс.

Полученная информация - отсчет - с каждого интерферометра, датчиков и фотодиодов на данной грани подвергается предварительной обработке с добавлением временной метки в цифровом сигнальном процессоре грани (ЦСПГ), суммируется, сжимается и передается в цифровой сигнальный процессор чувствительного элемента (ЦСПЭ). Суммированные, согласованные по времени и упорядоченные по граням данные измерений упаковываются (сжимаются) и передаются для обработки в центральный универсальный процессор устройства (ЦПУ). Функция ЦПУ - глубокая обработка всех данных - отсчетов - текущего замера характеристик полей внешней среды, получение суммарных и разностных массивов данных, согласование их с калибровочными и модельными данными, согласование с предыдущими замерами текущего сеанса, получение результирующих значений замера по всем анализируемым характеристикам внешних полей, выделение фрагмента данных для части устройства по стабилизации режима работы (адаптивная часть устройства - АЧУ), упорядочивание, сжатие и выдача данных о текущем замере характеристик внешних полей в компьютерную сеть по согласованным протоколам. Данные по замерам выдаются во внешнюю, по отношению к устройству, компьютерную сеть с частотой ~1 МГц, а также отдельным потоком на АЧУ для стабилизации режима работы. Функции АЧУ - стабилизация параметров влияющих на режимы работы устройства, в частности - стабилизация температуры на уровне 0,01-0,001 град. Цельсия с целью снижения общего шума при измерениях.

Несколько (N>1) одинаковых устройств объединяются и синхронизуются с помощью локальной компьютерной сети, образуя систему замеров слабых возмущений окружающей среды. Объединение данных по каждому устройству на серверах объединяющей компьютерной сети при совместной обработке увеличивает дальность обнаружения, чувствительность, динамический диапазон и разрешающую способность системы относительно единичного устройства.

Литература

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Интерферометр_Майкельсона

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/LIGO^∧https://habr.com/ru/post/407499/

3. Патент №2644121, приоритет от 08.10.2015.

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Кварцевое_стекло

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Бескислородная_медь

6. tydexoptics.com>ru/materials/for_transmission...

7. https://ru.wikipedia.org/wiki/Вольфрам

8. https://www.crystals.saint-

gobain.com/sites/imdf.crystals.com/files/documents/lyso-material-data-sheet_1.pdf

9. https://www.sensl.com/downloads/ds/TN%20-%20Intro%20to%20SPM%20Tcch.pdf

10. https://www.photonicsolutions.co.uk/product-detail.php?prod-6739

Группа изобретений относится к средствам детектирования слабых возмущений окружающей среды. Сущность: устройство для замеров слабых возмущений окружающей среды состоит из пяти чувствительных элементов (1-5) размерами 1×1×5 см³, измерительной части и внутренней вычислительной сети. Чувствительные элементы (1-5) изготовлены из разных по составу материалов: кварцевого оптического стекла, бескислородной меди, кремния марки HRFZ-Si, вольфрама, кристалла марки LYSO. Измерительная часть состоит из закрепленных на каркасе устройства двухлучевых интерферометров, контролирующих длину, ширину и высоту каждого чувствительного элемента. На гранях чувствительных элементов установлены резистивные пиксельные датчики для замера температуры и электрического потенциала. На гранях чувствительных элементов, состоящих из кварцевого оптического стекла, кремния марки HRFZ-Si, кристалла марки LYSO, установлены пиксельные детекторы фотонов. Технический результат: возможность детектирования слабых возмущений окружающей среды в широком диапазоне частот акустического и электромагнитного полей, а также гравитационного поля, повышение точности измерений, компактность устройства. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ замеров слабых возмущений окружающей среды на сборке из нескольких чувствительных элементов, каждый из которых имеет форму параллелепипеда, заключающийся в выборе размеров и состава материала чувствительных элементов для достижения максимальной эффективности решаемой задачи, замере трех основных взаимно перпендикулярных размерных составляющих чувствительных элементов: длины, ширины, высоты с помощью двухлучевых интерферометров, синхронной регистрации болометрическими и квантовыми детекторами пиксельного типа квантов электромагнитного поля, синхронном съеме данных с резистивных датчиков пиксельного типа температуры и электрического потенциала, расположенных на пяти свободных гранях, кроме входной, регистрации колебаний акустического поля с частотами от 0 до 1 МГц, электромагнитного поля в диапазоне длин от ультрафиолета ~0,2 мкм до сверхдлинных радиоволн ~10 км, гравитационного поля в диапазоне значений ускорения свободного падения от 0,01 до 100 g, ионизирующих излучений, в том числе и нейтральной компоненты, по ионизационным потерям энергии в объеме чувствительных элементов от ~10 до 70 МэВ, если длина чувствительных элементов выбрана 5 см, в пересчете на одну ионизирующую частицу, причем регистрацию синхронных замеров выполняют непрерывно, с малым шагом по времени ~1 нс, массив получаемых непрерывно данных измерений сопрягают с данными калибровок измерителей и модельных представлений о процессах изменения рассматриваемых полей в окружающей среде, посредством вычислителя синтезируют непрерывную во времени мониторинговую картину состояния внешней среды с фиксацией во времени и пространстве всех возмущений и их вычисляемых источников.

2. Устройство замеров слабых возмущений окружающей среды для осуществления способа по п. 1, построенное на основе пяти чувствительных элементов с одинаковыми размерами 1×1×5 см³, изготовленных из разных по составу материалов: кварцевого оптического стекла, бескислородной меди, кремния марки HRFZ-Si, вольфрама, кристалла марки LYSO соответственно, измерительная часть устройства состоит из двухлучевых интерферометров, контролирующих длину, ширину и высоту каждого чувствительного элемента, интерферометры закреплены на каркасе устройства, чувствительные элементы дополнены на гранях резистивными пиксельными датчиками для замера температуры и электрического потенциала, прозрачные для электромагнитных излучений чувствительные элементы, состоящие из кварцевого оптического стекла, кремния марки HRFZ-Si, кристалла марки LYSO, дополнены на гранях пиксельными детекторами фотонов - фотодетекторами и радиодетекторами, в качестве фотодетекторов используются кремниевые фотоумножители SiPM фирмы SensL с размером пикселя 35×35 мкм и квантовой эффективностью ~50%, для инфракрасного и терагерцового диапазонов используются антенно-связанные болометрические детекторы пиксельного типа фирмы Photonic Solutions с чувствительностью не хуже 20 пВт/пиксель и поперечными размерами пикселя 50×50 мкм, измерения производятся с частотой ~1 ГГц с погрешностью временной привязки отсчетов не хуже 500 пс, первоначальный массив информации проходит через внутреннюю вычислительную сеть устройства, на выходе после обработки по текущему замеру характеристик полей внешней среды, получения суммарных и разностных массивов данных, согласования их с калибровочными и модельными данными, согласования с предыдущими замерами текущего сеанса происходит упорядочивание, сжатие и выдача данных о текущем замере характеристик внешних полей в компьютерную сеть по согласованным протоколам, данные по замерам выдаются во внешнюю по отношению к устройству компьютерную сеть с частотой ~1 МГц.

3. Система замеров слабых возмущений окружающей среды, состоящая из объединения N>1 одинаковых устройств по п. 2, объединенных с помощью локальной компьютерной сети, устройства синхронизованы.