Интерференционный способ измерениярасстояний

О Л КСА И И Е 7 ооо 27ИЗОБРЕ 7 ЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ С)зКДЕТЕЛЬСТВУ(23) Приоритет ао делам изобретений и открытий(53) УДК 528. ,517( 0888) Дата опубликования описания 17.08.81(54) ИНТЕРфЕ РЕНЦИОННЫ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯРАССТОЯНИЙ Изобретение относится к области интерференционных геодезических измеререний и может быть использовано при построении на местности геодезических сетей высокой точности, при работах по изучению деформации земной коры и т.п,При цнтерференционных способах измерения расстояний, о уществляемых при помощи лазерных интерферометров, необходимо определять количество полуволн светаК лазера, укладывающихся на измеряемом расстоянии.Известен способ, решающий эту задачу применением нескольких длин волн из- . лучения и именуемый методом совпадения дробных частей длин волн ГЦ. Он находит применение в метрологии для из-. мерения эталонов длины порядка метра, но не может быть использован для изме- о рения больших расстояний (порядка сотен метров), так как при этом требуется предварительно знать измеряемое расстояние с точностью которая не может быть обеФ спечена известными средствами при линиях такой длины.Известен также способ Г 21, в котором количество ночуволн света лазера, содержащееся в измеряемом расстоянии, определяют и утем счета интерференционных полос при перемещении подвижного отражателя вдоль осей измеряемой ливии.Недостатком данного способа является то, что указаютсе перемещение отражателя на большие расстоятптя (сотни метров чрезвычайно трудно осуществимо н поэтому на линиях указанной длины не используется. В итоге современные лазерные ннтерфе рометры измеряют не сами расстояния, а лишь цх изменения.Целью изобретения является обеспечение возможности измерения расстояний при работе в открытой атмосфере без перемещения отражателя вдоль всей трассы.Цель остцгается тем, что во время измерений перемещением отражателя изменщот разность хода лучей, определяю25 з 70002щую измеряемое расстояние, цо величины,кратной полуцелому числу длин резонатора лазера, фиксируя этот момент поминимальной контрастности интерференционной картины, измеряют это перемещение.Теоретические предпосылки способасостоят в следующем, Известно, что лазер генерирует две близких снектральных линии с длинами волн 3 и 1 = Л+ЬЯ, то видимость (контрастность) интерференционных полос, наблюдаемыхв интерферометре, является периодической функцией разности .хоаа интерферирующих лучей с пространственнымприводомПусть генерируемые частоты ) 15и 1 соответствуют центрам цвух соседних аксиальных моа резочатора, тогдаих разность, как известно, будет равнаС20где С - скорость света, (, - длинарезонатора, Переходя от частот к длинамволн ). =С/ 0, получимй 1-33 2).,или1ЬЛ3т.е, пространственная периодичность изменения контрастности равна удвоеннойдлине резонатора лазера, Это обстоятельство неоднократно отмечалось экспериментально.Таким образом, при разности хода,равной 2 л) Ь ( М - целое число), наблюдается максимальная контрастность интерференционной картины, а при разностихода, равной (2 М +1)(., контрастностьравна нулю (минимальная). Это явлениедает возможность выразить измяемоерасстояние, прецставдяющее собой разность хода интерферирующих лучей, в алинах резонатора лазера. При этом дробнуючасть длины резонатора можно измеритьнепосредственно, перемещая отражательдо момента исчезновения контраста, ацелое число длин. резонатора в измеряемойлинии - определить из более грубых, например светодальномерных, измерений,Способ может быть реализован при по-,мощи схемы, изображенной начертеже.Излучение от газового лазера 1, генерирующего одновременно две аксиальные моды,.направляют в интерферометр типа Майкельсона, состоящий из светоделитедьногозеркала, 2, непоцвижного отражателя 3,неподвижного отражателя 4, установленногона цругом конце измеряемой линии, подвижного отражателя 5, укрепленного на 7 фкаретке 6, могущей пер мещаться по и- правляющим 7, и приемного устройства 8. Перемещение подвижного отражателя 5 может быть отсчитано при помощи измерительного инцикатор перемещений 9. Приемное устройство 8 соцержит оптичес кую систему 10, проектирующую интерференционную картину на регулируемую систему щелей (цвухщелевую диафрагму) 11. Систему щелей регулируют таким образом, чтобы через одну .цель проходил свет от светлой интерференционной полосы, а через другую - от темной. Через щели свет от интерференционной картин попацает на сканирующее устройство 12, проектирующее на катод фотоумножителя 13 иэображе ния светлой и темной полосы с некото - рой частоой. К выходу фотоумножителя 13 подключено регулирующее устройство 14, способное фиксировать моменты, когца амплитуда сигнала частоты сканирования равна нулю или минимальна.Приемное устройство таким образом ре - гулирует контрастность образующейся в плоскости щелей интерференционной картины путем сравнения световых потоков, поступающих на фотоумножитель от светлой и темной полос картины. Как известно, контраст определяется выражением.) Иасми нМокс мин +3и"мин - интенсивности светлей и темной полос,Величина тока на выходе ФЭУ определяется интенсивностью поступающего на фотокатоц света и, поскольку сканирующее устройство 12 осуществляет попеременнуюподачу потоковЗ с иЭ ид на ФЭУ, навыходе послецнего возникает переменныйсигнал с частотой сканирования, амплитуда которого пропорциональна разности(Э,о -Э, ) и становится равной нулюпри оо,ин)=0, т,е. при нулевомконтрасте, набдюдаемом при разностихода интерферирующих лучей равной ( 2 И+1 и приводимой к этому значениюперемещением подвижного отражателя 5,Таким образом, предлагаемый способзаключается в том, что перемещают поа вижной отражатель 5 ао тех пор, покарегистрирующее устройство 14 не зафиксирует нулевое значение амплитуды выхоаного сигнала фотоумножителя 1 3, и затемпри помощи измерительного устройства9 измеряют перемещение поавижногоотражателя 5, после чего длину измеря5 700027 Бемой линии (расстояние от референтной контрастность с точностью цо 10 , т,е,плоскости цо неподвижного отражателя минимальная регистрируемая величинами К4) определяют по формуле составляет 0,001. Подставляя это значение в последнюю формулу и полагая длинуД:(йф 1) - + б+д ( Й) "дас 7 резонатора ( равной 30 см, получим,что чувствительность способа будет сосгце Ь - известная длина резонаторатавлять-4е еме ение по- до=7 1 О (,=О,2 мм,лазера, К измереннсе и р щцвижного отражателя 3 - постояннаяпоправка, учитывающая цополнительныйход луча в оптической линии (в блокеподвижного отражателя), а целое число К известно,ка; указывалось ранее, из более ф о р, у л а грубых измерений. Знак перец 3 определя ется направлением перемещения отражате ля,Возможная точность способа определяется тем минимальным изменением разности хоца, при котором изменение разности (Эо -Л) еше может быть за регистрировано приемником в условиях;турбулентной атмосферы. Для оценки удобнее пользоваться относительной меройразности Ямо -Эм ) т.е. контрастностьюУК. Можно показать, что если интенсивности излучений с длинами волн и Х вточке интерференции одинаковы, то контрастность определяется выражением т,е, будет вполне достаточной для многих применений. изобретения ЗО гце Ь - известная алина резонатора лазера, 6 - измеренное перемешение, д - постоянная величина, а число К определяютиэ более грубых дальномерных измерений, обеспечивающих измерение даннойлинии с точностью до длины резонатора Источники информации,Эпринятые во внимание при экспертизе451, Кондрашков А В. Интерференциясвета и применение ее в геодезии. Геодезизцат, М., 1956, с. 74.2, Коломийцев Ю. В. Интерферометры,Л., Машиностроение, 1976, с, 189( прототип) . В настоящее время применение фото 50электрических методов позволяет измерять где и - разность порядков интерференции для длины волн 1 и 1 ,сг - разность хода. Отсюда. видно, 35 что контрастность равна нулю при сЪ(байи)4. Если эту разность хода, соответствующую нулевому контрасту, изменить на небольшую величину В о, то контрастность возрастет от нуля до некоторой величины 4, ц Дифференцируя выражение для К, получимАФ61 п - Й Ф,2 ь 2 ЬТФоткуца при 191 о - =1 ЬдФак)=,г Интерференционный способ измерениярасстояний, основанный на периодическомизменении контрастности интерференционной картины от цвухчастотного лазера приизменении разности хода интерферирующих лучей, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью обеспечения возможностиизмерения расстояний при работе в открытой атмосфере беэ перемещения отражателя вдоль всей трассы, во время измерений перемещением отражателя изменяютразность хода лучей, определяющую измеряемое расстояние, цо величины, кратнойполуцелому числу алин резонатора лазера,фиксируя этот момент по минимальнойконтрастности интерференционной картины,измеряют это перемещение, а искомое расстояние определяют по формуле:2=(й ф - )т 1+д,700027 орректор Л. Ив ж 642 твенног ретенийЖ,45 Тира ВНИИПИ Госудерсо делам изо 113035, Москва 5 одпис омитета СС открытий/5 аушска город, ул. Проектн Филиал ППП Патент Составитель В. Крист