Статья: Спектральный анализ сигналов электрооптического рассеяния света в аэродисперсной среде

Сушко Б.К.

Методы математической статистики в настоящее время находят все большее применение в геофизике при исследовании аэродисперсных систем. Использование в исследовательской практике сложных методов статистического анализа окупается получением важной дополнительной информации о свойствах аэрозолей, которая принципиально не может быть получена из визуальных или графических методов исследования.

Статистический анализ токового сигнала позволяет дать объективную количественную оценку характеристик электрооптического светорассеяния и существенно расширяет возможности исследователя.

Электрооптические методы исследования аэрозолей, как имеющие наиболее высокую информативность по сравнению с другими методиками, все чаще используются в физических и химических экспериментах [1]. При использовании высоких ориентирующих напряжений и интенсивных световых пучков в аэрозолях наблюдается целый ряд нелинейных эффектов, для исследования которых широко привлекаются спектральные и статистические методы [2].

Для исследования спектральных характеристик сигнала в электрооптическом эксперименте по рассеянию света аэрозольной средой собрана установка, которая позволяет проводить спектральный анализ токового сигнала в диапазоне звуковых и инфразвуковых частот 20 мГц20 кГц. Приемником излучения, рассеянного исследуемой системой аэрозолей, служит ФЭУ-85 с областью спектральной чувствительности 300600 нм.

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для снятия спектров токового сигнала.

Блок-схема установки изображена на рис. 1. Световой поток от источника света 1 (лазера или лампы накаливания) проходит через поляризатор 2 и направляется через систему линз в электрооптическую ячейку 3. Исследуемая среда находится в межэлектродном пространстве электрооптической ячейки 3, где освещается светом лазера и подвергается воздействию ориентирующего электрического поля. Прямой свет от источника 1 поглощается светоловушкой 4, а свет, рассеянный модулирующей средой, попадает на фотоумножитель (ФЭУ) 5. Измерение рассеянного светового потока производится на фоне черного тела, выполненного в виде конуса-светоловушки 7. Ориентирующее синусоидальное напряжение вырабатывается генератором синусоидальных колебаний звуковой частоты 8 с высоковольтным повышающим трансформатором на выходе. Появление в межэлектродном пространстве ячейки 3 ориентирующего поля приводит к возникновению периодических колебаний несферических частиц модулирующей среды, обладающих собственным или наведенным дипольным моментом, что немедленно сказывается на интенсивности рассеянного света, которая регистрируется фотоэлектронным умножителем ФЭУ-85. Сигнал от ФЭУ поступает на вход широкополосного усилителя У7-2. Предусмотрено измерение или компенсация постоянной составляющей выходного сигнала ФЭУ. Выход усилителя соединяется с измерительно-вычислительным комплексом (ИВК) для исследования спектральных характеристик. ИВК реализован на базе микро-ЭВМ IBM-PC с объемом ОЗУ 16 Mбайт. В состав комплекса входят аналого-цифровой преобразователь Ф-4223, генератор тактовых импульсов Г5-60, принтер и фильтр нижних частот (ФНЧ).

С выхода усилителя 6 исследуемый сигнал с амплитудой, не превышающей 10 В, через фильтры нижних частот (ФНЧ) поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Фильтры нижних частот на 50 Гц и 5 кГц формируют полосу пропускания измерительного тракта. Время приема сигнала определяется генератором тактовых импульсов Г5-60. С выхода АЦП сигнал в виде 8-разрядного параллельного двоичного кода поступает на вход интерфейса ввода и размещается в памяти микро-ЭВМ. Интерфейс ввода (И1) представляет собой универсальный контроллер, обеспечивающий параллельный 16-разрядный обмен информацией микро-ЭВМ с аналого-цифровым преобразователем Ф-4222; посредством интерфейса процессор получает информацию и производит над ней вычислительные операции по программе. Скорость ввода информации определяется двухтактовым генератором Г5-60, осуществляющим запуск АЦП. Максимальная скорость обмена информацией между ЭВМ и интерфейсом ввода достигает 180000 слов/сек.

Программа быстрого преобразования Фурье [3] позволяет проводить спектральный анализ случайного процесса по 5124096 точкам в каждом массиве информации с последующим усреднением равночастотных спектральных составляющих, получаемых при обработке заданного количества массивов. Накопив необходимое число выборок случайного процесса, то есть получив набор временных последовательностей, имеющих в каждый момент времени одинаковые статистические характеристики, их усредняют с помощью ЭВМ по совокупности выборок, причем спектральная плотность мощности сигнала электрооптического светорассеяния определяется для каждого момента времени. В конце измерительного цикла цифровая информация преобразуется в нормированный график частотной зависимости спектральной плотности мощности, построенный в двойном логарифмическом масштабе. Среди дополнительных сервисных функций программного обеспечения предусмотрено использование временных выделяющих окон для обрабатываемых реализаций, нахождение и вычитание многокластерных линейных трендов, сглаживание функции спектральной плотности мощности, создание первичных баз экспериментальных данных.

С помощью описанного информационно-измерительного комплекса было проведено исследование спектров сигнала электрооптического светорассеяния на несферических частицах модельной аэродисперсной системы хлорида аммония, вырабатываемых генератором аэрозоля. Исследуемые аэрозольные частицы проходят через электрооптическую ячейку 3 (перпендикулярно плоскости рисунка) в виде струи, омываемой потоком чистого воздуха. Полученные спектры свидетельствуют о явной нелинейности процессов светорассеяния в исследуемой модулирующей среде, приобретающей под действием ориентирующего поля анизотропные свойства за счет ориентации частиц.

Для анализа электрооптического светорассеяния могут быть использованы как универсальные микро-ЭВМ, так и специализированные анализаторы спектра сигналов и кoррелoметры. Применение универсальных ЭВМ позволяет наиболее полно использовать математические методы теории случайных процессов.

В работе проведено исследование возможностей статистических методов анализа случайных процессов применительно к электрооптическому рассеянию света аэрозольными частицами, рассмотрены методы спектрального и корреляционного анализа сигнала.

Твердые аэрозольные частицы неправильной формы, взвешенные в воздухе, находятся в непрерывном неупорядоченном брoунoвскoм движении вследствие столкновений с температурнo возбужденными молекулами воздуха. При движении частиц фазовые соотношения, определяющие картину рассеяния света аэрозолем, непрерывно изменяются, отчего возникают флуктуации рассеянного света. Рассмотрение характера флуктуаций светорассеяния дает информацию о движении частиц. Аэрозольные частицы, беспорядочно перемещаясь в своем движении, участвуют как в брoунoвскoм смещении (диффузии), так и в брoунoвскoм вращении.

Коэффициент диффузии частиц D находится из выражения:

где - среднеквадратичное смещение. Броуновское вращение описывается уравнением 2=2kTBt, где - среднеквадратичный угол вращения частицы относительно выбранной оси за время t, - вращательная подвижность частицы. =1/(d3), - вязкость среды.

Известно, что вероятности распределения стационарных, эргодических и гауссoвских флуктуаций полностью описываются спектрами мощности их сигнала, или автокорреляционными функциями, которые связаны друг с другом парой преобразования Фурье (теорема Винера-Хинчина).

Корреляционная функция рассеянного аэрозолями светового потока в общем случае выражается формулой [4]:

где - прoстранственнo-временная функция Ван-Хoва, представляющая собой сумму двух слагаемых, первое из которых описывает среднее движение одной частицы (ее самодиффузию), а второе пропорционально плотности вероятности обнаружения частицы в момент времени t в окрестностях точки r2, если в момент t1 другая частица находится около точки r1. Вторую составляющую часто не учитывают в расчетах.

- направление падения световой волны; - направление фазового фронта рассеянной волны; V - рассеивающий объем; N - общее число рассеивателей; А - действительная часть амплитуды волны.

Автокорреляционная функция сигнала рассеяния света ансамблем сферических частиц имеет вид [5]:

Здесь k=(4n/)sin/2; D - коэффициент диффузии, он определяется из зависимости Стoкса-Эйнштейна:

D=kT/(60R),

где 0 - вязкость дисперсионной среды; R - аэродинамический радиус частицы; - время корреляции; - угол рассеяния; - длина волны света (в вакууме); k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; n – показатель преломления.

Важной характеристикой флуктуационного процесса является временной спектр сигнала:

где (t) - временная автокорреляционная функция сигнала; - круговая частота.

По токовому спектру светового сигнала, рассеянного системой аэрозольных частиц, можно получить количественную информацию о движении частиц, в частности определить значение коэффициента диффузии. В работе [6] показано, что в тех случаях, когда спектральное распределение S() света, рассеянного на брoунoвских частицах, имеет вид линии Лоренца с шириной Г, коэффициент диффузии можно найти из выражения Г=2Dk2.

Анализ спектра мощности сигнала электрооптического светорассеяния позволяет получить полезные описательные статистики исследуемого процесса, служит орудием диагностики, указывая, какой дальнейший анализ процесса может быть использован, а также применяется для проверки теоретических предположений [3]. Частотный анализ спектров в последнее время широко применяется в физике и геофизике [7].

В основу программы для получения спектров с помощью микро-ЭВМ был положен алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ). Ошибка вычисления спектра мощности сигнала электрооптического светорассеяния составляет ~20%.

Ошибка обусловлена в основном конечной протяженностью реализации процесса, некоторую дополнительную ошибку вносит фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Исходя из оценки, даваемой Ван-дер-Зилoм [6], спектральная плотность флуктуаций S(), получаемых на выходе ФЭУ аэрозольного фотометра, равна сумме шумов умноженного первичного ток Jперв. и усиленных шумов вторичной эмиссии от каждого из n динoдoв.

где e - заряд электрона; - коэффициент умножения динoднoгo каскада; - параметр шума,  +1; Г - коэффициент возрастания шума ФЭУ.

Г=(-1)/(-1).

При =5 имеем Г=1,25; таким образом, ФЭУ обеспечивает усиление сигнала с малыми дополнительно вносимыми шумами.

Исследование спектральных характеристик сигнала электрооптического светорассеяния отличается от исследования флуктуаций света, рассеянного коллоидными частицами тем, что в спектре сигнала появляются специфические стационарные пики на частоте ориентирующего поля и на кратных ей частотах. Наличие этих пиков связано с ориентацией частиц под действием поля. На ряде спектров появляются пики на частоте сети питания, равной 50 Гц, что связано с трудностями полного исключения проникновения сетевых наводок в измерительную часть аппаратуры, которая очень чувствительна к внешним помехам. Даже тщательная экранировка не гарантирует полного устранения сетевых наводок в измерительной схеме.

Рис. 2. Спектры плотности мощности сигнала электрооптического рассеяния света, хлорид аммония в парах oктилoвoгo спирта; зависимость oт напряженности поля ориентирующих однополярных импульсов, F=350 Гц;

1 - E=4 кВ/см; 2 - E=400 В/см.

Исследования спектральных характеристик сигнала электрооптического светорассеяния проводились в двух режимах - при наложении однополярных прямоугольных импульсов (рис. 2) и при наложении импульсов переменной полярности (двуполярных прямоугольных импульсов) (рис. 3).

Рис. 3. Спектры плотности мощности сигнала электрооптического рассеяния света; хлорид аммония в парах oктилoвoгo спирта, зависимость от вида ориентирующих импульсов, F=350 Гц;

1 - однополярный импульс, E=2 кВ/см; 2 - двуполярный импульс, E=1 кВ/см.

Линейный отклик аэродисперсной системы на действие внешнего ориентирующего поля обусловливает изменение спектра флуктуаций частиц, находящихся в тепловом равновесии при отсутствии внешнего поля.

При ориентации аэрозолей только под действием электрической поляризуемости, достигаемое значение стационарного электрооптического эффекта не должно изменяться в момент перемены полярности приложенного электрического поля [2]. Когда же в ориентации участвует и постоянный дипольный момент аэрозольной частицы, на осциллограмме фотоотклика в моменты перемены полярности наблюдается спад или подъем сигнала, что приводит к возникновению в спектре мощности дополнительных пиков на двойной частоте модуляции и на кратных ей частотах. Отношения амплитуд пиков на частоте модуляции и на двойной частоте модуляции видимо несут информацию об отношениях постоянного и наведенного дипольных моментов аэрозольных частиц (рис. 3).

Ориентация аэрозолей под действием однополярных прямоугольных импульсов приводит к возникновению в спектре мощности электрооптического сигнала пиков на частоте модуляции.

Периодические прямоугольные колебания можно рассматривать как суперпозицию синусоидальных колебаний. Если мы подадим на обкладки электрооптической ячейки последовательность прямоугольных колебаний напряжения с периодом T и амплитудой V0 (меандр), то их можно представить в виде суммы бесконечного ряда синусоидальных напряжений:

Прикладывая к электрооптической ячейке ориентирующее поле прямоугольных импульсов и вычисляя спектр мощности сигналов рассеянного света, можно визуально получить отклик аэрозольной системы на каждую Фурье-компоненту спектрального разложения (5).

Сложный спектральный состав самого прямоугольного ориентирующего импульса способствует возбуждению ориентационных колебаний частиц и на частотах, кратных частоте модуляции сигнала.

Таким образом, кроме флуктуационного сигнала вида 1/f , присущего брoунoвскoму движению аэрозольных частиц, в спектре сигнала электрооптического светорассеяния присутствует ряд пиков сигналов, соответствующих ориентации несферических частиц под действием электрического поля. Пики, складываясь с 1/f флуктуациями, дают в суперпозиции шумовую картину электрооптического сигнала. Из рис. 2 и 3 видно, что спектр электрооптического сигнала имеет достаточно сложный характер.

Запись реализаций сигналов показывает, что:

1) измерительный комплекс хорошо отслеживает сигналы ориентации аэрозолей под действием поля;

2) в записанных реализациях преобладают относительно медленные флуктуации;

3) количественные соотношения между высокочастотной и низкочастотной составляющими флуктуаций могут быть получены из спектра плотности мощности электрооптического сигнала.

Список литературы

Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука, 1989. 560 с.

Электрooптика коллоидов / Под общ. ред. Духина С.С. Киев: Наукoва думка, 1977. 200 с.

Нуссбаумер Г. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985. 248 с.

Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех). М.: Сов. радио, 1977. 368 с.

Кросиньяни Б., Ди Порто П., Бертолотти М. Статистические свойства рассеянного света / Пер. с англ. М.: Наука, 1980. 206 с.

Ван дер Зил А. Шумы при измерениях / Пер. с англ. М.: Мир, 1979. 292 с.

Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х т. / Пер. с франц. М.: Мир, 1983. Т. 2. 256 с.