Способ определения времени распространения электромагнитных колебаний оптического диапазона

. ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕ НТНВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЛЬСТВУ АВТОРСКОМУ СВИД Изобрет формационн использован модулирова диапазона с переданного зовано для и тов, скоростколебаний, а также (давления, плотности влияющих на время зерного излучения,в рЦелью изобретен ние точности и расш мерения путем оп распространения по физических величин температуры и т.п.), распространения лаазличных средах, ия является повышеирение диапазона изеделения времени трем промежуточным тся к лазерным инльным системам с чи непрерывных не; баний оптического ем фаз принятого и может быть испольасстояний до объекранения оптических ние относи -измерите ем переда ных коле сравнени сигналов и мерения р распрост(71) Ленинградский технологический институт холодильной промышленности и Киевский технологический институт легкойпромышленности(72) Ю.А. Скрипник, В.А, Балюбаш и В,Н, Замараш кинаЩ Нагибина И. М. Интерференция и дифракция света, - М.: Машиностроение, 1985,с. 186-188,Андрусенко А. М. и др. Методы и средства лазерной прецизионной дальнометрии. - М.; Изд-во стандартов, 1987, с. 68 - 70.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА.(57) Изобретение относится к лазерным информационно-измерительным системам с использованием фаз принятого и переданного сигналов. Целью изобретения являет-ся повышение точности и расширение диапазона измерений путем определения времени распространения по трем промежуточным измерениям интенсивности интерференционной полосы за счет исклю,Ы 18108 б 5 А 1 чения неоднозначности измерения. Цель изобретения достигается перемещением дифференциального фотоприемника относительно интерференционных полос до достижения нулевого значения его выходного напряжения, сдвига по частоте колебаний оптического диапазона на величину, при которой выходное напряжение фотоприемника превышает порог чувствительности интерферометра и не превышает значения, соответствующего линейному участку преобразовательной характеристики. Измеряют выходное напряжение фотоприемника 01 дополнительно задерживают опорные колебания до достижения прежнего значения выходного напряжения фотоприемника, изменяют направление сдвига колебаний на противоположное и измеряют выходное напряжение фотоприемника 0 з, устраняют дополнительную временную задержку опорных колебаний и измеряют выходное напряжение фотоприемника 04, Время распространения информационных колебаний гх определяют по формуле тх=(04 - 01)/(0 з1/Г+ то, где Р - частота сдвига радиочастотного диапазона, то - время распространения опорных колебаний. 2 ил.оэ(тх- то)=2 лпт+ л/2, (4)которое соответствует нулевому отсчету 0 о е на фиг. 1.й При изменении времени распространею ния информационных колебаний вследстизмерениям интенсивности интерференционной полосы 39 счет исключения неоднозначности измерения.Поставленная цель достигается тем. что в способ заключающийся в том, что электромагнитные колебания оптического диапазона разделяют на информационные и опорные, направляют информационные колебания на контролируемый объект, совмещают отраженные от объекта информационные колебания с опорными .до образования интерференционной картины в плоскости фотоприемника и измеряют выходное напряжение дифференциального фотоприемника, введены новые операции: перемещения дифференциального фотоприемника относительно интерференционных полос влево ипи вправо до достижения ближайшего нулевого значения его выходного напряжения; сдвига электромагнитных колебаний оптического диапазона по частоте на величину, при которой выходное напряжение дифференциального фотоприемника 01 будет удовлетворять условию где д 0 - порог чувствительности интерферометра, и измерения выходного напряжения дифференциального фотоприемника 01; дополнительной задержки опорных колебаний до достижения прежнего значения выходного напряжения фотоприемника;- изменения направления сдвига электромагнитных колебаний на противоположное и измерение выходного напряжения дифференциального фотоприемника 0 з:- исключения дополнительной временной задержки опорных колебаний и измерение выходного напряжения дифференциального фотоприемника 04;- определение времени распространения информационных колебаний кх по фор- муле где Е - частота сдвига радиочастотного диапазона;то - время распространения опорных колебаний,Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.Электромагнитные колебания оптиче ского диапазона разделяют на информаци онные и опорные, Информационны колебания направляют на контролируемы объект ипи пропускает через исследуему среду, а опорные колебания распространяются в среде с известными параметрами, Совмещают отраженные от объекта или прошедшие среду информационные коле бэния с опорными до образования интерференционной картины в плоскости фотоприемника, Интенсивности интерференционной полосы в выбранной точке определяется выражением10=1+2+Ю 12 соз(Ф 1 Ф 2) . где 1, 2 - соответственно интенсивностьопорной и информационной волн;15 Ф 1, Ф 2 - начальные фазы интерферируемых волн.А интенсивность интерференционнойполосы, смещенной на полупериод интерференционной картины, имеет вид 20"=1+2 - 2 Г 12 соз(Ф 1 Ф 2) Измеряют разность интенсивностей (1)и (2) интерференционной полосы вычитани ем сигналов двух фотоприемников, щелипространственного фильтра которых сдвинуты на полупериод интерференционной картины.Выбор начальной рабочей точки диффеЗ 0 ренциального фотоприемника осуществляется его перемещением влево или вправо относительно интерференционной полосы до получения на выходе нулевого сигнала, что соответствует расположению двух фотоЗ 5 приемников на границе темной и светлойполос интерференционной картины.Разность фаз интерферируемых волнопределяется временем распространения колебаний в информационном и опорном 40 каналах интерферометра Д Ф=Ф 1-Ф 2= в ( Гх- хо)=2 7 г (пт+р), (3) где а- угловая частота колебаний;х, го -время распространения соответственно информационных и опорных колебаний;ят - целое число фазовых циклов;р - дробная часть фазового цикла.Получение выходного нулевого сигнала фотоприемника означает, что при данном положении дифференциального фотоприемника имеет место соотношение(14) вие изменения положения объекта или скорости распространения оптических колебаний в среде изменяется первоначальная разность фаз информационных и опорных колебаний, что вызывает смещение интер ференционных полос относительно щелей дифференциального фотоприемника.При равенстве интенсивностей интерферируемых колебаний (1 ==о) суммарная и разностная интенсивности при дополни тельной разности фаз Л ропределяются выражениями1=2 о(1+соз( р+ Лв (5) "=2 Ц 1 - соз( + ЛРИ (8) Разность интенсивностей преобразуется дифференциальным фотоприемником в выходное электрическое напряжение25О=Я(1+у ) Л 1+д =23(1+ у)1 оз 1 п Лр++ д, (8) где Я - чувствительность дифференциального фотоприемника. у = М/Я - относитель ная погрешность чувствительности от действия дестабилизирующих факторов (изменения температуры, нестабильность .источников излучения, процессы старения элементов и др,), д - абсолютная погреш ность нуля, связанная со смещением преобразовательной характеристики дифференциального фотоприемника из-за . нестабильности темновых токов двух фотоприемниковдрейфа нуля усилителя и др. 40 .Зависимость выходного напряжения дифференциального фотоприемника от разности фаэ интерферируемых волн приведена на фиг. 1. Преобразовательная характеристика интерферометра имеет 45 циклических характер. Как видно из графика при работе на одном из участков характеристики показания интерферометра будут пропорциональны не полному фазовому сдвигу Ф=2 к (в+р), а только его дробной части 50 Л Ф=2 7 р независимо от количества полных циклов Фо=2 д в, предшествующих рабочему,Каждый полупериод преобразовательной характеристики от Ово до Овдх соответ ствует изменению разности фаз интерферируемых волн от 0 до д, Причем линейная зависимость выходного напряжения дифференциального фотоприемника от разности фаз двух волн имеет место вблизи разности фаз Ф= л/2, т.е. когда выходное на пряжение близко к нулю.Сдвигают частоту колебаний на величину Й, при которой выходное напряжение дифференциального фотоприемника превышает порог чувствительности и не выходит за пределы десяти порогов чувствительности интерферометра д 0 Измеряют полученное выходное напряжение фотоприемника, которое в соответствии с выражениями (4) и (8) имеет вид 01=45(1+ у)1 оз 1 п Л(1+ д ==43(1+у)1 ози(- ЙКх - хо)+ д (10) Для малых значений дополнительногофазового сдвига (з 1 п Л р = Лр) имеем О=-43(1+ у)1 О( - х )+ д (11) где Йв - частота сдвига колебаний,Затем в опорном канале электромагнитные колебания дополнительно задерживают на время Лх. Тогда измеренная дифференциальным фотоприемником интенсивность становится равной 02=.45 о(1+ у) Л 02+ д ==-45 о(1+у)Ив - Й) Лх+ Й(т х -т оЦ (12) Время задержки Л выбирают таким, чтобы измерение разности фаз интерферируемых волн составило бы величину Из выражений (12) и (13) следует, что(в-й) Л=2 лили2 лЛх = -Из графика, представленного на фиг, 1 видно, что введение такой задержки приводит к "параллельному переносу" точки Она . преобразовательной характеристике на один цикл назад (из в-го в (в - 1)-й рабочий цикл),Изменяют направление сдвига частоты электромагнитных колебаний на противоположное и регистрируют полученное выходное напряжение дифференциального фотоприемника1810865 Далее определяют отношения разностей напряжений (18) и (19)504 - 01 2 Й(х - о)ОЗ - 01 Д+Н) Х+7 Л 04=-4(1+ У) о (х -о) - д. (16) 10+1) 1,(п+ а) Лт -О (,-о+ д. (15) Исключают дополнительную временную задержку Л опорных колебаний, В результате напряжение на выходе дифференциального фотоприемника изменяется и становится равным Изменение времени задержки опорных колебаний до прежнего значенияо приводит к возврату в первоначальный тп-й рабочий цикл.Т,о, в результате получаем четыре отсчета выходного напряжения дифференциального фотоприемника, два из которых 01 и 04 лежат на преобразовательной характеристике в гл-м рабочем цикле. а два других - 02 и ОЗ В (и 1)-м.Используя соотношения, справедливые для преобразования координат при их паоаллельном переносе, можно отсчеты 02 и Оз перенести на участок тп-го рабочего цикла преобразовательной характеристики. С учетом того, что разность между фазами интерферируемых волн Л р 1 и Л 1 щ составляет 2 к(см. выражение (13, запишем выражение для перенесенного отсчета О 2 в следующем виде 02 =43(1+ у)о Лф 2+ д =4 Я(1 ++у)(Лр 2+2 л) +д== 45(1+ У)о Л/1 + д = 01. т.е. происходит слияние точек О 1 и О 2.Для отсчета Оз выражение (15) в этомслучае перепишется как ОЗ=45(1+ У)1 о Лфз+ д=451++ д. (17) В результате проведенного преобразования имеем три точки 01, Оз(Оз),и 04 (выражения (11), (16), (17), расположенные на одном линейном участке преобразовательной характеристики в окрестности рабочей точки Оо, соответствующей максимальной чувствительности.По измеренным значениям напряженийдифференциального фотоприемника определяют разности 04-О 18 Я 1 У)о Й (х - о) Оз- -4%1 ф у)Д(л фЛт 2.т. (19) или с учетом соотношения.(14) 04 - 01 Йх - о) Оз - 01 гт 1 +,т - , -+ 1 Из соотношения (20) можно определитьвремя распространения электромагнитныхколебаний оптического диапазона О 4 01 М 1Оз - 0101 - Б04 - 01 2 Л 04 - 01ОЗ - 01 й На фиг. 1 представлена зависимость выходного напряжения дифференциального фотоприемника от разности фаз интерферируемых волн; на фиг, 2 - пример выполнения устройства, реализующего предлагаемый способ,Устройство содержит оптический квантовый генератор 1, линзу 2, электрооптический модулятор света (ЭОМ) 3, управляющие входы которого через двойной переключатель 4 соединены с выходами радиочастотного генератора квадратурных напряжений (РГКН) 5, светоделительный кубик 6, контролируемый обьект 7, переменный аттенюатор 8, клин 9, неподвижное зеркало 10, пространственный фильтр 11, линзу 12, фотоприемники 13.1 и 13.2, выходы которых подключены к соответствующим входам дифференциального усилителя 14, выход которого соединен со входом индикатора 15. частотомер 16, вход которого подключен к одному из выходов РГКН 5.Устройство работает следующим абра. зом.Излучение ОКГ 1 через линзу 2 и ЭОМ 3. на управляющие входы которого первоначально напряжение управления не подается, поступает на светоделительный кубик 6, разделяющий колебания на информационные и опорные. Информационные колебания отражаются от контролируемого объекта 7 и поступают обратно на кубик 6. Опорные колебания проходят через переменный аттенюатор 8, отражаются от неподвижного зеркала 1 О и возвращаются на кубик б. где совмещаются с информационными колебаниями. Клин 9 в опорном канале отсутствует,Совмещенные информационные и опорные колебания через пространственный фильтр 11, линзу 12 направляются на два фотоприемника 13,1 и 13,2, выходные сигналы фотоприемников поступают на соответствующие входы дифференциального усилителя 14. А результат обработки сигналов отображается на индикаторе 15,В начале с помощью оптического аттенюатора 8 уравниваются интенсивности отраженных от объекта 7 и неподвижного зеркала 10 колебаний, Затем осуществляется выбор начальной точки на преобразовательной характеристике интерферометра, Изменяя положение пространственного фильтра 11 и фотоприемника 13,1 и 13.2, добиваются получения на выходе дифференциального усилителя 14 нулевого сигнала, что соответствует расположению двух фотоприемников 13,1 и 13.2 на границе светлой и темной полос интерференционной картины.На управляющие входы ЭОМ 3 через двойной переключатель 4 с выхода РГКН 5 поступает квадратурный сигнал видаО,=Озы а,О =Осоз ат,где Ох, Оу - напряжения электрического поля вдоль осей ОХ и ОУ, перпендикулярных боковым граням активного электрооптического элемента ЭОМ 3,В этом случае ЭОМ 3 работает в полуволновом режиме и на его выходе имеется одна составляющая оптического сигнала со, смещенной на величину Йчастотой, Регистрируют показания индикатора 15 ОъЗатем положение клина 9 изменяют, что создает для распространяющегося в опорном канале излучения дополнительную временную задержку Лт. По. индикатору контролируют изменение выходного напряжения дифференциального усилителя 14 и прекращают перемещение клина 9 в момент получения на индикаторе 15 значение напряжения О 1. Это свидетельствует о том, что фазовый угол опорных колебаний изменился на величину 2 жИзменяют положение двойного переключателя 4 на противоположное, В результате квадратурный сигнал, поступающий нэ управляющие входы ЭОМ 3, имеет видО=О соз И 1;Оу=О эи Й,Это приводит к изменению направления вращения электрического поля активно го кристалла ЭОМ 3, что вызывает рзие, ние направления смешения частоты оптино. ских колебаний на противоположно. Регистрируют измененное напряжение 1 1 з.Далее возвращают клин 9 в первоначальное положение; т.е. вынимают его из опорного канала, тем самым устраняется вводимая в опорный канал дополнительная временная задержка Ь, Регистрируют вы-. ходное напряжение дифференциального 510 усилителя 14 О 4.С помощью частотомера 16, соединенного с одним из выходов РГКН 5, производится измерение частоты сдвига Й. По формуле (21) определяется время рэспространения оптических колебаний на удвоенном расстоянии от светоделительного кубика 6 до контролируемого объекта 7. По времени распространения можно определить расстояние до объекта при известной 20 Формула изобретения Способ определения времени распространения электромагнитных колебаний скорости распространения или определитьскорость распространения при известномрасстоянии до отражателя 7,Например, при измерении расстояния25 до контролируемого объекта 1=100 м вносимая дополнительная временная задержка всоответствии с выражением (14) составитпри длине волны оптического излученияЛ=5 мкм30 2 к 1 1 1Щ0,6 10"= 1,710 с,Время распространения излучения дообъекта определяется величиной порядка35- 200 -07,10-6 с310Сравнительный анализ заявляемогоспособа с прототипом по техническим возможностям показывает, что определениевремени распространения по трем промежуточным измерениям интенсивности интерференционной полосы полностьюисключает неоднозначность измерения, чторасширяет диапазон измерения временираспространения электромагнитных колебаний в область больших задержек. Автоматическое исключение погрешностейизмерения интенсивности полосы при обработке результатов измерений существенноповышает точность измерения времени распространения при действии на интерференционную систему дестабилизирующихфакторов. Расширение диапазона измере-.ний составляет сотни раз. а повышение точности измерений - 3 - 5 раэ, 1810865 12оптического диапазона, заключающийся в том, что колебания разделяют на информационные и опорные, направляют информационные колебания йа контролируемый объект, совмещают отраженные от объекта информационные колебания с опорными до образования интерференционной картины в плоскости дифференциального фотоприемника и измеряют выходное напряжение дифференциального фотоприемника, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений путем определения времени распространения по трем промежуточным измерениям интенсивности интерференционной полосы за счет исключения неоднозначности измерения, перемещают .дифференциальный фотоприемник относительно интерференционных полос влево или вправо до достижения ближайшего нулевого значения его выходного напряжения 01, сдвигают электромагнитные колебания оптического диапазона по частоте на величину, при которой выходное напряжение дифференциального фотоприемника 01 будет удовлетворять условиюд О,00110 где д 0 - порог чувствительности интерферометра,измеряют выходное напряжение дифферен циального фотоприемника 01, дополнительно задерживают опорные колебания до достижения исходного значения выходного напряжения, изменяют направление сдвига электромагнитных колебаний оптического 10 диапазона на противоположное, измеряютвыходное напряжение дифференциального фотоприемника 0 з, исключают дополнительную временную задержку опорных колебаний и измеряют выходное напряжение 15 дифференциального фотоприемника 04, авремя распространения информационных колебаний кх определяют по формуле04 - 01 120 х 03 1ТО 1где Р - частота сдвига радиочастотного диапазона;то - время распространения опорных 25 колебаний,Корректор С. Лисин едактор льский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Производственн аказ 144 ВНИИ Составитель Ю, СкрипниТехред М,Моргентал Тираж Государственного комитета по изобрете 113 О 35, Москва, Ж, РаушскПодписноеям и открытиям при ГКНТ СССнаб., 4/5