5.7. Отношение сигнал/шум сисама

Анализируя возможные области применения интерференционных монохроматоров, мы должны прежде всего обратить внимание на изменение отношения сигнал/шум в сравнении с классическим прибором. Так же как и в растровом спектрометре, выигрыш на два порядка в величине светового потока на исследуемой частоте сопровождается тем, что на приемник света одновременно может попасть излучение из весьма широкого спектрального интервала. Лишь применение пространственного кодирования (которое путем изменения разности хода затем превращается во временное) позволяет осуществить более детальный анализ внутри выделенного участка спектра и получить высокое разрешение.

Если исследуется излучение, спектр которого состоит из отдельных, далеко отстоящих друг от друга линий (на интервал частот превосходящий эффективную ширину «пьедестала» аппаратной функции), каждая из них будет определять интегральный световой поток, проходящий через прибор, независимо от других. При использовании приемников света, у которых мощность шума возрастает прямо пропорционально полному световому потоку (например, фотоумножителя, или фотодиода в видимой области спектра), для довольно ярких линий мы получим выигрыш в отношении сигнал/шум по сравнению с классическим монохроматором приблизительно на порядок. (Здесь, правда, скрыто некоторое лукавство: нужно учесть, что в случае априорно редких линий спектра мы можем увеличить световой поток и в классическом монохроматоре просто широко раскрыв щели). Преимущества сисама в интегральном пропускании (как в описанном выше опыте по наблюдению свечения полярных сияний) будут реализованы, если он используется для регистрации таких малых световых потоков, при которых величина сигнала не превосходит величину темнового тока фотоприемника. Если же исследуются слабые линии на фоне сильных, или изучаются линии поглощения на фоне сплошного спектра, а мощность шума растет пропорционально интегральному потоку, то сисам может не только не улучшить, но даже ухудшить отношение сигнал/шум, так как случайные флюктуации тока буду определяться мощной немодулированной компонентой потока. Таким образом, использование подобных приборов в видимой и ближней УФ области спектра целесообразно только в том случае, когда необходимо полностью реализовать разрешающую способность дифракционной решетки при сравнительно низких требованиях к оптике коллиматора и выходного конденсора. В классическом монохроматоре сделать это без больших потерь в светосиле очень трудно.

Вместе с тем, применяя сисам для анализа ИК излучения, мы можем полностью использовать увеличение светового потока через прибор. При одном и том же результирующем отношении сигнал/шум в спектре выигрыш на два порядка в пропускании позволяет (в принципе) на четыре порядка уменьшить время измерения. Переход к инфракрасной области сопровождается также уменьшением требований к механической стабильности элементов всей системы, что позволяет упростить конструкцию прибора. Последние разработки высокостабильных компактных сисамов (в том числе, использующих светоделитель на призме Кестерса [26]) позволяют считать, что приборы с интерференционной амплитудной модуляцией еще не исчерпали своих возможностей.

Однако, оценка выигрыша сисама просто по величине пропускания, как уже отмечалось в разделе о растровых монохроматорах, не учитывает особенностей фотоприемников для ИК области спектра. Как правило, мощность шумов такого приемника растет пропорционально его площади. В этом случае подобная оценка оказывается завышенной, так как неявно мы сравниваем возможности приборов, предполагая, что шумы приемника одинаковы. Применение в классическом монохроматоре фотосопротивления в виде узкой полоски, перекрывающей только используемую площадь щели, позволяет существенно уменьшить уровень шумов, и наши прямые оценки окажутся завышенными примерно на порядок величины.

Вопрос об отношении сигнал/шум в любом приборе, в том числе – сисаме, имеет куда больше оттенков, чем это кажется при осуществлении простых оценок для оптического тракта системы. Например, в параграфе 5.6.1 «спокойно» было сказано об изменении разности хода по линейному закону и соответствующей модуляции светового потока на некоторой частоте. Какой? Одно дело – написать формулу и другое – реально определить эту частоту. Если имеется яркий монохроматический источник с длиной волны лежащей близко к исследуемому спектральному интервалу, частоту можно измерить и построить соответствующий резонансный усилитель, который уменьшит мощность шумов за счет уменьшения полосы пропускания (мы в рассуждениях всегда предполагали и будем предполагать в дальнейшем, что исходно имеем дело с «белым» шумом). Очевидно, однако, что начальная фаза колебаний останется неизвестной. Как тогда измерить амплитуду сигнала? Прямой путь, использованный разработчиками сисамов, заключается в применении нелинейного детектирования (как в большинстве АМ приемников). Вместе с тем, из радиотехники хорошо известен эффект «подавления» шумами сигнала слабой радиостанции в присутствии сильной при нелинейном детектировании. В чем смысл этого эффекта?

Спектр суммарного процесса в нашем измерительном тракте содержит (для монохроматического излучения) монохроматическую составляющую, амплитуду которой мы хотим измерить, и шумовую с более или менее широким спектром. Нелинейная операция – детектирование – изменяет структуру спектра всего процесса. Любая нелинейность измерительного тракта (подчеркну – любая!) приводит к появлению суммарных и разностных частот компонентов спектра сложного сигнала. Разностная частота для монохроматического колебания – нулевая (т. е. постоянный ток), именно она используется в простых системах измерения амплитуды. Шумовые составляющие спектра – каждая (!), взаимодействуя сами с собой на нелинейном элементе, также дадут вклад в выходной сигнал на нулевой частоте. Складываясь, продетектированные компоненты шума уменьшат отношение амплитуды полезного сигнала к амплитуде шумовой даже если исходное отношение было достаточно большим. В случае, когда исходное отношение было порядка единицы, результат такого преобразования спектра будет плачевным – полезная составляющая сигнала «утонет» в возросших по мощности шумах.

Только применение синхронного детектирования (это – линейная операция) позволяет сохранить отношение сигнал/шум на исходном уровне, и применение фильтрации по постоянному току позволяет тогда уменьшить полосу шумов, соответственно снизив их уровень. Для реализации синхронного детектирования необходимо точно знать саму частоту и начальную фазу соответствующего колебания. В описанном выше приборе МИАС, где частота модуляции задается внешним генератором, этой проблемы не существует.

Замечу, однако, что сужение полосы пропускания измерительного тракта влечет за собой увеличение времени переходных процессов в измерительной системе, соответственно возрастает время измерений.

Вновь и вновь мы возвращаемся к сформулированной во Введении проблеме оптимизации всего измерительного тракта, а не какого-либо отдельного его элемента (в том числе, самого спектрального прибора) при решении конкретной физической, или технической задачи. Необходимо при этом всегда помнить, что улучшение отношения сигнал/шум позволяет соответственно уменьшить время измерений. Уменьшение времени, как и улучшение отношения сигнал/шум – это вопросы, непосредственно связанные с информационной емкостью системы измерений. Эта характеристика прямо пропорциональна числу независимо действующих «каналов связи», поэтому одним из естественных путей увеличения скорости получения информации об источнике является применение нескольких (или многих) каналов исследования. В спектроскопии – это применение многоканальных спектральных приборов.