Способ измерения пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 03 Н 1/1 ВЕННЫЙ ИЗОБРЕ МИТЕТ СССРЙ ИОТНРЫТИЙ ГОСУДАРСПО ДЕЛ(56) 1., Голография. Методы и аппаратура. Под,ред, Гинзбурга В. И Степанова Б. М.,И., Сов. радио, 1974,с. 213.2; Авторское свидетельство СССРпо заявке Р 3243 б 33/18-25,кл. С 03 Н 1/1 б, 1981 прототип).(54)(57) СПОСОБ ИЗЧЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТ-.ВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОБЬЕКТА, заключающийсяв том, что производят многоракурсноезондирование измеряемого объекта двумерными плоскими. пучками проникающего излучения, оси которых лежат водной плоскости и пересекаются в одной точке последовательно перемножают прошедшие через объект волновые фронты зондирующего излучения и произ водят регистрацию полученного волнового фронта, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения в реальном времени в плоскости, перпендикулярной плоскости зондирования, перед перемножением волновых фронтов для каждого направления зондирования изменяют масштаб волнового фронта .по. оси, параллельной плоскости зондирования, а величину изменения масштаба К выбирают из соотношенииэп 1 1, 2, И - 2;Изобретение относится к областиголографической интерферометрии.Известен способ измерения прост"ранственного распределения внутренних неоднородностей фазового объекта Изаключающийся в том, чтопроизводят многоракурсное зондирование объекта лазерным излучением, длякаждого направления зондирования за"писывают .интерферограммы объекта ипо отклоненйю интерференционных полоссудят об измеряемой величине,Недостатком данного способа является невозможность получения искомого пространственного распределения 15неоднородностей в реальном времени,так как затрачивается время на вводв ЗВИ измеренных по отклонению интерференционных полос, данных об изменекии оптической длины пути внутри 20объекта, расчета на ЗВИ, вывода и отображения полученного решения,Наиболее близким по техническойсути к предложенному является способизмерения пространственного распреде ления внутренних неоднородностей объ"екта 2, заключающийся в том, чтопроизводят многоракурсное зондированиеизмеряемого объекта двумерными плоскими пучками проникающего излучения, Зроси которых лежат в одной плоскостии пересекаются в одной точке последовательно перемножают прошедшйе черезобъект волновые фронты зондирующегоизлучения и производят регистрациюполученного волнового фронта.Зтот способ используется для измерения распределения внутренних неоднородностей в поперечном сечении объекта, образованном пересечением плос костей. распространения зондирующиходномерных пучков, Недостатком данного способа является. то, что он неможет обеспечить измерение в реальном времени распределение внутренних 45неоднородностей в продольном сеченииобъекта. которое перпендикулярноплоскости зондирующего излучения.В ряде технических задаЧ, напримерпри измерении температурного распределения в пламени различного родагорелок , форсунок, концентрацииэлектронной плотности в плазменномразряде, возникающем между электродами и т,д., для исследователей важнаинФормация.о распределении внутреннихнеоднородностей в продольном сеченииобъекта, т,е. в сечении, проходящем через устройства, инициирующие данные процессы (горелки, форсунки и .т,д.).11 о способу, взятому за прототип, измерить это распределение в продольной плоскости в реальном времени невозможно, так как в этом случае плоскость зондирующих одномерных пучков и все оптические элементы должны лежать в продольной плоскости, что технически невозможно реализовать из-эа присутствия в этой плоскости устройств. производящих исследуемые процессы.Цель изобретения " обеспечение возможности измерения в реальном времени пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта в плоскости, перпендикулярной плоскости зондированияЦель достигается тем, что в способе измерения пространственного рас" пределения внутренних неоднородностей объекта, заключающемся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта двумерными плоскими пучками проникающего излучения, оси которых лежат в одной плоскости и пересекаются в одной точке, последовательно перемножают прошедшие через объект волновые фронты зондирую" щего излучения и производят .регистрацию полученного волнового фронта, перед перемножением волновых фронтов для каждого направления зондирования. изменяют масштаб волнового фронта по оси 1 параллельной плоскости зондирования, а,величину изменения масш таба К выбирают иэ соотношений зпУоКз" уп11 = з 1 п(,1,где п =1, 2., Н - 2,Б " число ракурсов зондирования;- угол зондированияВ предлагаемом способе измеряемыйобъект зондируют плоским двумернымпучком проникающего (например, опти"ческого) излучения, ось которого Хперпендикулярна, например, оси Е ксоставляет угол ( с осью Х, Система координат (Х, У, Е) привязана кобъекту. Пусть система координат(6) 3осью распространения пучка, а .ось Е параллельна оси 2 объекта и Е =2, т.е. штрнхованная, система координат (Х , Т Е ) повернута вдольоси ЕЕ по отношению к (Х, 7, Е), 5 Таким образом, в этих координатах плоский двумерный зондирующий пучок .света можно описать выражением Ао(у 5 г) сопзй Аов Пусть функцйяк(х у, 2) описывает пространст венное распределение внутренних неоднородностей объекта ипусть Й(хр у, г).вне шара радиуса ро. Для поглощающих амплнтудных 1 объектов Е(х,уг) пропорциональна коэффициен ,ту поглощения м (х, у, г) для опре- деленной длины волны зондирующего излучения 3т.е. Х(х у, г) щ = роом(х у, г). Лля фазовых объектов Е(х у, г) =Ро 1 п(х у, .г)-п 4 В где п(х, у, г) и по - показатель преломления, соответственно, исследуемого объекта и окружагощей среды.Без учета эффектов дифракции и рефракции прошедший через объект под ракурсом ( зондирукаий Вф можно описать выражениями А (у, г)Аоехр 11, Фь (У г) О 5 ф А (у, г) = А ехр.У(у г)1соответственно, для Фазовых и амнлитудных.объектов. Э 5Интегральная выходная характеристика 5 Р, (у, г), называемая проекцией объекта.в направлении , связана с искомым распределением Й(х у, г) преобразованием Радона 46 ВВ( 515 К)9( ХСОВцо 51 В 15 Х 1 Я) - КК Рассмотрим далеепоследовательность 45 операций, выполняемых над ВФ (1), Для определенности рассмотрим фазовый об" объект и пусть первый ракурс зондирования направлен под угломк. оси Х. После первого зондирования изменяют 50 масштаб прошедшего волнового фронта А (у, г) д А ехрФ, (у, гЯ- направление 2-го ракурса, т,е.формируют ВФ А,(КУ, г) = Аехр Ф, (К, у, г)1 (3)который далее направляют под ракурсомна измеряемый объект. Опера"цию изменения масштаба Вф вдоль одной оси У можно выполнить двумя разнофокуснымн цилиндрическими линзамиили зеркалами, а также используя вкачестве зондирующего слабо расходящийся по одной оси пучок. При повторном прохождении Вф (3 ) через объектего перемножают с волновым фронтомАв(у, г), несущим информацию о второй проекции 1(у, г), После двухраэноракурсных проходов формируется .Вф. А(К уг) А(у г) -" Ао ехр1 У, (К у , г) + + фг (у, г)1 Перед третьим перемножением изменяют масштаб Вф (4) на величину КМь,у где- направление третьего ракурса зондирования, т.е. получают ВФ А 1(К 1 Кгу, г) А(Кг у, г)згп узгпу"уПосле третьего зондирования ВФ (5) под направлением 45 выполняют третье. неремнцжение и формируется ВФ,А 1(К.К у, г) А (К у, г) А (уг) у которого перед четвертым перемножением изменяют масштаб в -1 з 1 ЮК;:, ф-Му раэ и т,д. Вся зта последовательность операций выполняется для всех угловондиров ния ( ф 1,перекрывающих (равномерно или неравномерно) диапазон углов от О до 180 фа Пусть ( ф О, а 1180 Закон изменения масштаба в любом и"ом ракурсе для а1, 2. . . Иследующий.,вхп УДля 0-1 и И"го ракурса коэффициенты изменения масштаба определяются со" отношениямиl изменением масштаба ВФ по оси У перед и"ым ракурсом по закону (б) и (7) получим на выходе ВФ А(у, г), описываемый выражением . А(у рг) = А 1(К 1 ее фКпееК у 1 г)авюА (К "К уф, г)х (8) 1 О Подставляя в (8) значения козффициентов (б), легко получить А(у ,г) = А(зхп 1, у , г)"А(Выл Я у у г) х ееееl,."А ц (з 1 М 11-1 Уг)ихг (у, г) А ехр гг еегеЧе"кФКак следует из алгоритма обратныхпроекций, при решении интегральногоуравнения Радона (2) в пренебреженииоперацией свертки решение уравнения(2) можно записать в виде 1Мг.(х у у у г) 7 Ф (х соя С +( )1 п=1у з 1 п( г) Из (10) следует, что распределениевнутренних неоднородностей в плоскости Х = О равно 1 дЙ(0, у, г) - , 91 Пг 1х у р г),(з 1.п 11 х(11) Из сопоставления (11) и (9) следует, чтоА(у ; г) - А,ехр 1. И Е(О, у , г) (12) Аналогично для амплитудных объектов А(у,г) = А ехр К(О, у, г)1 (13)О 45 Ось у направлена пад углом ч 1 = 180 . к аси Х и перпендикулярна аси И-га ракурса, Для визуализации ВФ 1,13) необходима использовать регистраторы с логарифмическим откликом на входной0 сигнал,Для визуализации фазового ВФ (12) кожно, например, использовать технику голографической интерферометрии, Тог. да при записи, например, 2"х экспо" зицианнай интерферограммы в полосах55 бесконечной ширины интенсивность восстановленного поля будет описываться выражением 1(у,г) = 2 Г 1 + соз(Ы(О, у г)Я г21 + соз 211 йр п(0, у,г) -поЭ (14)Из (14) следует, что искомая информация о распределении показателя преломления в сечении Х = 0 продольном)заключена в виде системы интерференционных полос, которая одновременно является картой линий равных значенийпоказателя преломления, причем припереходе от одной линии к другойзначение показателя преломления изменяется на величину. Отметим,Ро 11что в предлагаемом способе восста"навливается двумерное сечение 3-хмерного распределения внутреннихнеоднородностей в плоскости г(У, Е),которая по отношению к оси Е (пустьЕ - большая ась объекта ) являетсяпродольной и направлена перпендикулярно направлению последнего Б-горакурса. В способе, взятом за прототип, восстанавливалась сечение(Х, У), которое па отношению к осиЕ является поперечным, Для восста"новления по предлагаемому способулюбой другой продольной плоскости/Х = сапзС необходима сместитьобъект или точку пересечения осейзондирующих пучков на расстояниеХ = сапз вдоль оси Б"го зондирующего пучка. Набор таких продольныхплоскостей дает полную информациюо распределении внутренних неоднородностей объекта. Таким образом,предлагаемый способ позволяет вреальном времениизмерять распре"деление оптических неоднородностейв продольном сечении объекта т 1 е.перпендикулярном плоскости зондирующих пучков. Кроме того, преимуществом предлагаемого способа является то, что он значительно прощеспособа, взятого за прототип, засчет исключения операции нелинейнойголографической регистрации световых потоков. Это особенно важнадля более точных измерений прастранственнога распределения сложных объектов, когда необходимо большое(Б 7 3) число ракурсов зондирования,так как в этом случае в способе,взятом за.пратотип, должна быть реализована регистрация с коэффициен-,там контрастности больше б,Схема устройства-, реализующегопредлагаемый способ, представлена. начертеже.Для определенности рассмотрим трехракурсную схему для исследования фазового объекта. На чертеже ось Е перпендикулярна плсскости рисунка. 5Устройство содержит лазер 1, све" тоделитель 2., двумерные расширители 3 и 4 пучка, объект 5, плоские зер" кала 6"9, системы 10 и 11 из двух разнофокусных.цилиндрических линз, О устройство 12 компенсации разности оптической длины пути регистратор 13.Световое излучение от лазера 1. попав на светоделитель 2, разделяется 5 на две части одна из которых проходит систему формирования опорного канала (устройство 12, расширитель 4 пучка) и попадает на регистратор 13. Другая часть излучения проходит рас ширитель 3 пучка, формирующий плос/ .кий двумерный световой пучок А (у, г) = сопзС, и направляется на исследуемый объект 5 под угломк оси Х ( Ф - угол между осью зондирующе го пучка Х и осью Х). Прошедшее излучение А (у , г) зеркалом 6 направляют на систему 10, состоящую иэ двух цилиндрических линз, образующие которых параллельны оси, а их фокус- ЗО .ные расстояния 2 и Г подобраны так, что 2 г /Г = К. Прошедшее через систему 10 и измененное по осиизлуче" ние А (К у, г) зеркалом 7 вновь направляют под углом г к оси Х на З 5 исследуемый объект 5. Пройдя объект 5, излучение А (К, у, г) в А(у, г) зеркалом 8 отклоняют на систему 11, состоящую также иэ двух цилиндрических линз с фокусными расстояниями 4 О ЦЙ, удовлетворяющих соотношению Г 1 Г " К. Измененное по масштабугвдоль оси У в,Кг раз излучение А (К К У г) ф А(Кгу, г) вновь на"правляют на объект 5 под угломк оси Х и прошедшее излучение А, (К, К у, г)ф А, (Кгу, г). А(у., г)1Кгпадает на регистратор 13. Если 1-я экспозиция регистратора 13 производится без объекта 5, то в его при" сутствии на регистраторе 13 будет формироваться птерферограмиа прод дольного сечения объекта (У, г), пендикулярного направлению 3-го ракурса. Описанное выше устроство, реализующее предлагаемьп способ, было использовано для измерения распределения показателя преломления в продольном сечении пламени свечи. Ось Е бьла вертикальной осью, плоскость (Х, ) - горизонтальнь. Углы зонди,( рования (угль между осями Х и у ) были выбраны следуюшими: , = 120о о)1 = 60 , , = 0 . Следовательно, коэффициенты изменения масштаба равны .зп + зп 602Коз 1 п, здп 12 ОО= здп = зп 60 = - , К= 1, т.е. только перед третьим просвечиванием необходимо изменить по осимасш" таб ВФ в К 2 =3/2 раз, Первая экспозиция регистратора 13 производилась без объекта. После введения объекта фотоаппаратом регистрировались интерферограммы продольного сеченияпламени свечи (Х , Е) в реальном времени. На интерферограммах различных продольных плоскостей пламени (Х = О, Е), (Х = 0,5 см, Е), (Х = 1 см, Е), полученных последовательным смещением свечи в направлеРнии оси у , видно уменьшение (раэрежение; числа интерференционных полос при выделении периферийных плоскостей пламени свечи, что соответствует реальному уменьшению тем" пературы на краях пламени, Таким образом, по сравнению с известными способами предложенный способ позволяет измерять в реальном времени про/странственное распределение внутренних неоднородностей в продольном, т.е. перпендикулярном плоскости, образованной осями зондирующих пучков, сечении объекта. Изобретение может найти применение в аэро- и гидродинамике, диагностике плазмы и других быстрбпротекающих процессов, для неразрушающего контроля качества изготовления стекловолокна и т.д.074207 овректор В, Гирняк Заказ 2786/2 ул. Проектная Составитель В.едактор Л. Письман Техред М.Гергел Тираж 651 ПВНИИПИ Государственногопо делам изобретений 113035, Москва, Ж"35, Рауш юмиал ППП "Патент", г. Ужго писноеомитета СССоткрытийая наб., д.