Способ измерения вариаций показателя преломления

(Р е, ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Новосибирский государственныйуниверситет им,Ленинского комсомолаи Институт автоматики и электрометрииСибирского отделения АН СССР(56) 1, Кирьянов В.П., Кокшаров М.АХанов В,А. Об одном способе построения цифрового рефрактометра.-В сб.:Системы сбора и первичной обработкиизмерительной информации, Новоси-.бирск, НГУ, 1973,2. "Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана", 1979, т. 15, к 2 8,с. 855-864 (прототип),(54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВАРИАЦИЙПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, включающийраспределение излучения с длиной волны71 в основной и дополнительный каналы, разделение излучения в каждомканале на опорный и измерительныйпотоки излучения, воздействие этихпотоков на исследуемую среду, сведение из вместе и регистрацию пополученной интерференционной картинедробных порядков интерференциии1 соответственно в основном и. дополнительном каналах, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения помехозащищенности измерений,воздействие потоков излучения на исследуемую среду осуществляют в каналах с оптически действующей длинойдля основного канала, причемО( 04(32 ( ь- максимальные вариациипоказателя преломления,и с оптически действующедлинойдля дополнительного канала,РЕ,( )"Ч(г 7) (ЛП)"и,где б - точность измерения дробнойчасти порядка интерференцив дополнительном канале;с)" - требуемая точность измерения вариации показателяпреломления;. - максимальная оптическидействующая длина дополнительного канала,а вариации показателя преломленияопределяют из соотношенияИзобретение относится к технической физике и предназначено для измерений физических свойств прозрачных сред, в частности для интерферированных измерений показателя 5(коэффициента)преломления морской воды, и может найти применение в океанологии при автоматизированном определении параметров морской воды, выражаемых через ее показатель пре ломления (соленость, плотность и др.)Известен способ регистрации изменений (вариаций) показателя преломления прозрачных сред путем регистрации приращений целых и дробныхчастей 15 порядков интерференции при изменении коэффициентов преломления исследуемой среды с помощью двухлучевого интерферометра (типа Иайкельсона, Жамена и др.), у которого оптически действу ющая длина расположена в исследуемой среде 1.Недостатком этого свособа является невозможность одновременной реализации высокой точности и досто верности результатов измерений при измерении в турбулентных слоях.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения вариаций показателя З 0 преломления, включающий распределение излучения с длиной волны Я в основной и дополнительный каналы, разделение излучения в каждом канале на опорный и измерительный потоки излучения, воздействие этих потоков на исследуемую среду, сведение их вместе и регистрацию по полученной интерференционной картине дробных порядков интерференции Е и Е соот ветственно в основном и дополнительном каналах, При этом способе также регистрируют целые части М и Й порядков интерференции соответственно в основном и дополнительном каналах, О величине вариаций показателя преломления судят по разности результатов измерения целых и дробных порядков интерференции в основном и дополнительном каналах 21.50Недостатком известного способа измерения вариации показателя преломления и устройства, реализующего этот способ, является невозможность одновременной Реализации высокой точности и достоверности результатов измерений из-за наличия в воде турбулентных споев, в которых прписхлдит пропадание сигналов, Наличие турбулентных слоев, вызванных, Например, подводными течениями, градиентами температур, солености и другими причинами, из-за изменений, волновых фронтов интерферирующих пучков приводит к флуктуациям углов прихода или пространственной расфазировке лучей на случайных неоднородностях среды, имеющих размеры порядка размеров первой зоны Френеля, При этом размеры неоднородностей совпадают с размерами наименьших вихревых образований, возникающих в воде в соответствии с ее гидродинамическими свойствами. Преломление лучей на этих неоднородностях приводит к искажению фронтов пучков и отклонению от прямолинейного направления распространения. Флуктуации параметров пучков вызывают изменения величины выходных сигналов интерферометров вплоть до полного их исчезновения, когда интерферирующие пучки либо полностью разошлись, либо когда в поле интерференции возникает более чем одна интерференционная полоса. После выхода из турбулентного слоя сигналы интерферометров восстанавливаются, Однако однозначное соответствие между изменением коэффициента преломления среды и изменением фазы интерферирующих пучков имеет место только в пределах одного порядка интерференции, если же приращение фазы, соответствующее разности значений коэффициента преломления воды на границах турбулентного слоя, больше одного порядка интерференции, то однозначное соответствие отсутствует, так как в турбулентном слое нарушена непрерывность отслежи" вания целого числа порядков интерференции, Это приводит к значительным ошибкам в результатах измерений, а также к недейственности способа в турбулентных слоях.Цель изобретения - повышение помехозащищенности измерений вариаций показателя преломления в естественных условиях, т.е. обеспечение возможности продолжения измерений с высокой чувствительностью после прохождения турбулентного слоя.Поставленная цель достигается тем, что при способе измерения вариаций показателя преломления, включающем распределение излучения с длиной волны В в основной и дополнительный каналы, разделение излучения в каждом канале на опорный иизмерительный потоки излучения,воздействие этих потоков на исследуемую среду, сведение их вместе 5и регистрацию по полученной информационной картине дробных порядковинтерференциии Й соответствен 1 2но в основноМ и дополнительном каналах, воздействие потоков излучения 1 Она исследуемую среду осуществляютв каналах с оптически действующейдлинойдля основного канала,причем15где йй о, - максимальные вариациипоказателя преломления,и с оптически действующей 20. длиной 12 для дополнительного канала, причемЬ2 З (д"Ч/гУКИ 2)/ , (2)где сР Ч - точность измерения дробнойчасти порядка интерференциив дополнительном канале;д и - требуемая точность измерениявариаций показателя преломления;. - максимальная оптически действующая длина дополнительного канала,а вариации показателя преломления определяют по формулегде 1:12240На чертеже изображена функциональная схема устройства, реализующая предложенный способ измерения.Устройство 1 регистрации через кабель-трос 2 получают из водонепроницаемой гондолы 3 информацию от измерителей дробных частей порядков интерференции 4 и 5 интерферометров 6 (основного канала) и 7 (дополнительного канала), Излучение лазера 8 50 распределяется светоделителем 9 в основной и дополнительный интерферометры (каналы) . Светоделители 10 и 11 последних перераспределяют входящие в них пучки в опорный и измерительные 55 плечи. Для того, чтобы оптически действующие длины интерферометров и 1 приходились только на воду и в них не входили участки с воздушными промежутками и иллюминатором 12, отражатели 13 и 14 опорных плеч и интерферометров 6 и 7 вынесены эа иллюминатор и закреплены так же, как и отражатели 15 и 16 измерительных плеч.Разность хода. лучей между отражателями 13 и 15 и, светоделителем 10 образует оптически действующую длину Г основного интерферометра, а разность хода лучей между отражателями 14 и 16 и светоделителем 11 оптически действующую длинудопол 2 нительного интерферометра. Приращение фазы лУ интерференционного сигнала основного интерферометра связано с изменением показателя преломления морской воды ьп соотношениемд:гл Еь /( Л/2) С 5) Для того, чтобы во всем диапазонеизменений показателя преломленияморской воды йоприращение фазыа 1 не превышало одного 1 торядка(ь 2 л), оптически действующую надлинуосновного интерферометравыбирают из условия (1).Например, для дл -" 100должна быть не более 0,32 1 О- и,Точность измерения вариаций показателя преломления с основныминтерферометром ограничивается точностью измерения приращения дробнойчасти порядка интерференции сисоставляет 10-, что для современныхтребований в океанологии недостаточно.Поэтому в предлагаемом способетребуемую точность измерения вариацийпоказателя преломления морской водыдЪ реализуют с помощью дополнительного интерферометра, оптически дейст-ВУющую длину 12 котороГО ВЫбирают изусловия (2), Для требуемой точностиизмерений д"и = 10 ф и для с/"Ч =27 10 зоптически действующая длина 1 равна32 10м.Во всем диапазоне вариаций показа"теля преломления дь,10приращение фазы ду дополнительного интер 2ферометра составляет 100 целых порядков интерференции,При вариациях показателя преломления аь приращения фазы ЬУ 2 интерференционного сигнала дополнительного интерферометра имеют вид"-Нт+Е )(;1-)5 где 2 ( 12) Ь)21 - целочисленнаячасть, равная целому числу порядковинтерференции;(22(Л/2)дп) - дробная часть атно-Ощения, равная дробной части порядкаинтерференции.При этом изменения фазы д 9 интер 1 ференционного сигнала на выходе ос новного интерферометра составятдф//22/=2,(2/2)апш(2,(2/2)ап)=Е (5)Так как до можно выразить в виде 20(6)Соотношение (6) используется для восстановления показаний дополнительного интерферометра после прохождения турбулентных слоев.Повышение помехозащищенности дос- ЗО тигается за счет восстановления информации о числе целых порядков интерференции, зарегистрированных в допоЛнительном канале (интерферометре)После восстановления сигналов винтерферометре восстанавливаетсяинформация только об Й 2 . Поэтому дляповышения помехозащищенности измерений используется явление самовосстановления информации в пределаходного интерференционного порядка,Для этого используют два канала:основной и дополнительный. В первомосуществляют измерения грубо, но обеспечивают однозначное соответствиед 9 и ьь во всем диапазоне измерениядп, во втором реализуют заданнуюточность измерений параметра .д) .В результате после прохождения слоев,в которых происходит пропаданиесигналов, возобновляется процедураизмерений Ли с требуемой точностью.Таким образом, использованиеизобретения позволяет с высокой точностью проводить измерения вариацийпоказателя преломления, например,морской воды (на основании которогоможно вычислить вариации плотностиводы) в естественных условиях,когда присутствуют различного родатурбулентные слои; По сравнению сизвестным способом предлагаемыйимеет значительно большую точностьизмерения, меньшее временное разрешение и позволяет уменьшить пространственное разрешение до 1 см.1163216 Составитель С. Голубеведактор И. Николайчук Техред О,Неце Корректор М. Демчик Заказ 4097/4 ираж 897 Подписно Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 ВНИИПИ Государственног по делам изобретений13035, Москва, Ж, Рауш комитета СССРи открытийская наб., д,