Способ измерения угловой атмосферной рефракции и устройство для его осуществления

(56) Прилепин М,ТГолубев А.Н. Итоки и техники, Геодезия и аэросъемк1979, с,8-29.Авторское свидетельство СССРК. 792102, кл. 0 01 й 21/41, 1978,Авторское свидетельство СССРМг 1138714, кл. 0 01 й 21/41, 1981.Авторское свидетельство СССРйт 1213396, кл, 0 01 М 21/45, 1984,Изобретение относится к атмосфернойоптике и может быть использовано для йзмерения искажений траектории распространения оптических волновых пучковрефракционного происхождения, в частности в локации, геодезии, геофизике, астро-номии,Известен дисперсионный способ измерения угловой рефракции, при котором измеряют спектральную разность рефракции(угловую дисперсию) для двух выбранныхдлин волн спектра с формированием интерференционной картины и ее анализом.Устройство для реализации дисперсионного способа измерения угловой рефракции включает приемно-передающие.оптоэлектронные блоки, фотоприемники,схемы обработки и анализа сигналов.Недостатком способа-аналога и устройства для его реализации является низкаяточность измерений угловой рефракции, достигающая 2 - 5 в т о время, как требуетсяточность в десятые доли угловой секунды. 5 Ы 17551 2(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ АТМОСФЕРНОЙ РЕФРАКЦИИ И УСТРОЙСТ-.ВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЙ(57) Использование: измерение искажений траектории распространения ойтических волновых пучков рефракционного происхождения, в частностив лОкэции, геодезии; геофизике, астрономии, Сущность изобре. тения: измеряют разности углов прихода волн с различными длинами при совмещении оптической оси звездного интерферо-. метра с направлением на йсточник белогоизлучения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл,Ф% Фюв Этот недостаток обусловлен несоверщенством способов регистрации интерференционной картины и устройств для их реализации, обладающих низкой чувстви тельностью к угловым изменениям,МК способу-аналогу можно также отнести СЛ способ измерения атмосферной рефракции, ф включающий пропускание излучения через Я два приемных канала, формирование интерференционной картины, измерение спектральной дисперсии атмосферы для двух Ф оптических излучений с"различными длинами волн, анализ разности хода интерферирующих лучей, фиксацию интерференционных полос на нуль ийдикатора, причем фиксацию совпадений интерференционных полос производят в противофазе.Недостатком этого способа является низкая точность углбвой дисперсий Ь ГЛ и, как следствие, низкая точность определения угла рефракции, рассчитываемого по соотнощению гЛ = кЛ Ь гЛ, КЛ = 50 - 60спектральный коэффициент для выбранныхдлин волн, что обусловлено низкой точностью определения доли порядка интерференции, а также слабой зависимостьюоптической разности хода от угла приходаволны,Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ измерения угловой атмосфернойрефракции, согласно которому излучениебелого источника пропускают через дваприемных канала с расстоянием В междуними, модулируют раэность хода пучков,сводят пучки, прошедшие каналы, в одинпучок излучения, одновременно модулируют излучение вспомогательного источникамонохроматического излучения, прошедшего двуплечевой интерферометр Майкельсона, измеряют амплитуду сигналовизмерительного и опорного иСточников излучения, по которым судят о рефракции,Недостатком способа-прототипа явля-ется узкий диапазон измеряемых параметров. Этот недостаток обусловлен темобстоятельством, что способ-прототипобеспечивает измерение рефракции лишь втом случае, если известно истинное нап равление на источник излучения, безрефракционное.В практических же случаях необходимокак раз иметь информацию о рефракции беззнания истинного направления на источник,Известен угловой рефрактометр. содержащий два лазера с различными длинамиволн и расположенные последовательноколлиматор, приемную оптическую систему, элемейт поворота изображения. три поляризатора, двулучепреломляющуюпластину. фотоприемник, схему регистрации, элемент разделения излучения, двакомпенсатора и два регулятора напряжения, схему сравнения напряжений,Недостатком устройства-аналога является низкая точность измерения угловой рефракции, что обусловлено слабой зависимостьюразности хода интерферируемых лучей, формируемых двулучепреломляющей пластиной,от угла прихода и низкой точностью определения долей порядка интерференции.Наиболее близкий по технической сущности к заявляемому является астрономическийрефрактометр, содержащий измерительныйинтерферометр с колеблющимся зеркалом,механически связанным с пьеэокерамическиммодулятором, соединенным со звуковым генератором и генератором постоянного напряжения, последовательно соединенныефотоприемник, синхронный детектор, второйвход которого соединен со звуковым генера тором, регистрирующее устройство, опорный интерферометр с предметным и полупрозрачным зеркалами и последовательно соединенными фотоприемником, синхронным детектором и регистратором. при этом колеблющееся зеркало выполнено в виде отражающей поверхности диагональной грани треугольной призмы. установленной на пьеэокерамическом модуляторе, одна из боко 10 вых граней призмы имеет отражающуюповерхность, являющуюся предметнь 1 м зеркалом опорного интерферометра, второй вход синхронного детектора опорного интерферометра подключен к выходу звукового генератора, а фотоприемник и полупрозрачное зеркало опорного интерферометра установ 15 лены на одной оси с пьезокерамическим модулятором. Недостатком устройства-прототипа яв ляется тот факт, что оно может быть использовано для измерения абсол ютной рефракции лишь при известном истинном безрефракционном направлении на источник или же рефракции относительно услов 25 ного направления, а также приращения рефракции во времени. Это обстоятельство сужает диапазон измеряемых параметров устройства-прототипа Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых параметров,30 Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения угловой атмосферной рефракции, включающем пропускание излучения через два приемных канала с рассто 35 янием В между ними, модуляцию разности хода пучков, сведение пучков, прошедших каналы, в один пучок излучения, формирование электрического сигнала,. согласно заявляемому изобретению, разность хода 40 пучков модулируют по гармоническому закону в одном из приемных каналов, разлагают сигнал в частотный спектр и измеряют амплитуды гармоник, по которым определяют амплитуду модуляции, выделяют первую 45 и вторую гармоники сигнала для двух длинволн Л 1 иЛг, а угол реФракции г находятпо соотношениюг = кЛ В ( агс 1 ц а - агстц.Ь 3 (1)- 1 Л 1 Лг2 л 2 л50где(,О 1) г(Л)а О, (2)А (2 Лд- ) 11(Л 1)л 1 ( 2 тг Л - ) 1 г (Лг )ООповорачиваться вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа в пределах 40 - 48 О.Покрытие зеркал М 2 МЗМ 11 - внешнее, М 4 -внутреннее. Толщина М 4 равна толщинекомпенсатора К. Фильтр Г (спектроделитель) - интерференционный; отраженный отнего свет по спектральному составу является дополнительным к прошедшему Р 1,фильтр гг осуществляет добавочную коррекцию спектрального состава излучения,таким образом, чтобы на ФЭУ Ф 1 и Ф 2 падали потоки примерно одинаковой интейсивности с различными средними длинамиволн, Оптическая схема реализует измерение угла прихода излучения на двух различных длинах волн, соответствующих среднимдлинам волн пропусканий фильтров Р 1 и (1- Р 1)Г 2.Заявляемый способ реализуют с помощью описанного устройства следующимобразом,Визируют интерферометром на источникй пропускают его излучение через два приемных канала, формируют интерференционнуюкартийув плоскости фотоприемников путемповорота пластины-компенсатора К и зеркалинтерферометра, Подают напряжение на модулятор 1 П и по гармоническому закойу модул йруют оптическую разность ходаинтерферирующих лучей на обеих длинахволн, Сигнал одного йз каналов разлагают вспектр с помощью спектроанализатора С 2 иизмеряют амплитуды нескольких гармоник,кратнЫх модулирующей частоте,включая основную, по которым определяют с помощьюмини ЭВМ МЭ 1 амплитудумодуляции(амплитуду виброперемещений зеркала Мг) Послеэтого на обеих длинах волн выделяют 1-ю и2-ю гармоники сигнала и определяют их отЛ 1 11 Л 2ношение и , а угол ре 2 1 2 2фракции находят по соотношению (1) сучетом (2).Для упрощения вычислительной процедуры способа с помощью ГПН изменяютнапряжение на пьеэокерамическом модуляторе П, изменяя тем самым амплитуду модуляции до тех пор, пока не будут равныфункции Бесселя первого и второго порядков 11 - 12, что обеспечивается установкойпредвычисленного напряжения Оо = (11 12),Значение спектрального коэффициентарассчитывается предварительного для выбранных длин волн известным путем.На спектроанализаторе измеряют амплитуды гармоник сигнала, кратных основной частоте. Вычисляют на мини-ЭВМтеоретические значения аргументов функций Бесселя Епф), И, кроме того, вычисляютзначение Ео,при котором 1-=.2, а по Ео рассчитывают амплитуду колебаний (модуляции) по соотношению01,2 = ,. Л (4)г. Л 1,2Реализация заявляемых технических решений.Внешний вид устройства для осуществления способа приведен на фиг,4. Сигналы 10 с ФЭУ подавались на входы двухканального анализатора спектра 2034 фирмы Брюль и Кьер, Результаты измерений приведены на фиг,З и табл.1, а результаты расчета нормы 0(2)15 при котором Е = Ео - в табл.2. Амплитуда модуляции составила О = 0,462 мкм с погрешностью п 1 о 0,03 мкм,Оценим влияние погрешности про на точность угловых измерений. Для этого за пишем (1) в виде= 99- Я.2 лдоУчитывая, что о 1 и+1 ДЙ 7 = - А+ и - 1(2) атакжесоотноше 2ния 0 = 0-5 Л, Е = 2,65, т= 0,03 Л/2 (результаты измерений), получим из (5) п 1 ц=0,65 У 2 п 1=0,9 п 1 е 0,9 2 л/Л пан (6)Одйовременно имеет место соотноше 20 25 30 ние2 дд,п до щ 9 й ( 1 + 19 - У -- ) иу,т.е. т до=10 0,2 0,09 - -18 10 (а) и на-г базе В = 6 10 м погрешность определения угла прихода составит (п 1 до /В ) р= 3 10 к 2 10 = 6 10 угл.с, а для спектральной разности п 1 Лг .10 Г 2 =8 10угл,с. В этих условиях погрешность угла рефракции при 40 КЛ= 50 составит 0,4. Это значит, что на базе 0 3 м П 1 г0,1. В то же время в способе и устройствахпрототипах даже при регистрации 0,0007 доли порядка интерференции точность оп ределения угла дисперсии составит лишь 0,02 - 0,03, т,е. заявляемые технические решения в 50-100 раз чувствительнее по углу по сравнению с прототипом Измерение рефракции осуществлялось 50 на трассе длиной 6,16 км. Результаты измерений приведены в табл,З.Значения отношений амплитуд гармоник 11/12 определялись на спектроанализаторе, д 1,2 - разности хода. рассчитанные на 55 мини ЭВМ, Лу-угол дисперсии, у(Л 1 ) -угол рефракции для зеленой части спектра,формула изобретения1, Способ измерения угловой атмосферной рефракции; включающий пропусканиеизлучения через два приемных канала с рас,2 6 6 стоянием В между ними, модуляцию разно - амплитуда модуляции;сти хода пучков, сведение пучков, прошед,2 Л 1 и 01,2 Л 2 - амплитуда первой ших каналы, в один пучок излучения;: и второй гармоник для длин волн Л 1 и Л 2 формирование электрического сигнала, о тл и ч а ю щ и йоя тем, что, с целью расши 2. Устройство для измерения угловой рения диапазона измерения, разность хода атмосферной рефракции, содержащее изпучков модулируют по гармоническому эа- мерительный интерферометр в виде звезд- кону в одном иэ приемных каналов, рвала- ного интерферометра Майкельсона с гают электрический сигнал в частотный, переналоженными пучками, пьеэокерамичеспектр и измеряют амплитуды гармоник, по 10 ский модулятор, звуковой генератор, генеракоторым определяют амплитуду модуляции, . тор постоя нного найряжения, два выделяют первую и вторую гармоники сиг- . фотоприемника, соединейные с регистрирунала для двух длин волн Л 1 и Л 2, а угол ющим устройством; причем пьезокерамичерефракции г находят по соотношению ский модулятор механически соединен:с г = кЛ В " агссд а - "1 -- агар2 1 (1) 15 однимизвнешнихзеркалэвеэдногоинтерфе 2 т 2 жрометра и электрически - со звуковым генератором и генератором постоянного где напряжения, отлича ю щееся тем, что,с целью расширения диапазона измерения, а -20 оно снабжено спектроделителем. установлен 3 г (2 д )11 Л 1 )ным на выходе звездного интерферометра, иплоскопараллельной пластиной, установлен 31 2 д ) Ь (Л 2) . ной в одном из плеч интерферометра с воз- ЬХ 2можностью поворота, регистрирующее322 л- - ) 1Л 2 ) 25 устройство выполнено в виде двухканальногоспектроанализатора и вйчислительного устк Л - спектральный коэффициент; ройства, при этом фотоприемники установлей.я - функции Бесселя первого - ны аа спектроделителеы по ходу иалучения игггр. параллельно подключены к спектроанализатои второго порядков от аргумента (2 п.т ) ли ру. выход которого подключен к аычислитела.ному устройству.1755124 воюер гармси 2 Составитель В.ВиноградовТехред М,Моргентал Корректор Н;Ту едактор М.Товти каз 2886 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКИТ СССР113035, Москва. Ж, Раушская наб 4/5 изводственно-издательский комбинат"Патент",г.ужгород,уд. Гагарина 10агарина,