ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ ПОДЪЁМА НАД ПОВЕРХНОСТЬЮ ОБЪЕКТА В ПРЕДЕЛАХ ЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ Российский патент 2017 года по МПК G01C5/06 

Изобретение относится к способам измерения высоты подъема над поверхностью объекта в пределах земной атмосферы и может быть использовано в промышленности, строительстве, медицине, парашютном спорте и т.д.

Известен радиолокационный способ измерения высоты подъема над поверхностью объекта (Оборудование самолетов. Волкоедов А.П., Паленый Э.Г., М.: Машиностроение; издание 2-е, перераб. и доп., 1980. - 230 с.), заключающийся в перемещении измерительного прибора, реализующего способ измерений, по высоте до уровня, высота которого, относительно поверхности объекта, вычисляется, формировании электромагнитных волн (сверхвысокочастотного диапазона), посылке сформированных электромагнитных волн к поверхности объекта (например, поверхности земли или воды), приеме электромагнитных волн, отраженных от поверхности объекта, измерении отрезка времени между посылкой и приемом электромагнитных волн, отраженных от поверхности объекта, до которой измеряется высота, вычислении высоты подъема на основе измеренного отрезка времени и известной скорости распространении электромагнитных волн.

Признаки, общие с заявляемым способом:

- формирование электромагнитных волн (для заявляемого способа -электромагнитных волн оптического диапазона); посылка сформированных электромагнитных волн к поверхности объекта;

- перемещение измерительного прибора, реализующего способ измерений, по высоте до уровня, высота которого, относительно поверхности объекта, вычисляется.

Способ имеет следующие недостатки:

- способу присуща выраженная направленность измерений (способ эффективно применим только для объектов измерений с ровной поверхностью);

- при наклоне антенны прибора, реализующего способ измерений, относительно поверхности объекта измерений возникает ошибка измерений в виде завышенного значения высоты измерений;

- электромагнитная волна сверхвысокочастотного диапазона, формируемая и излучаемая в направлении объекта измерений, опасна для биосферы;

- принимаемая электромагнитная волна подвержена влиянию посторонних помех;

- трудности, а, в ряде случаев, и невозможность использования непосредственно человеком аппаратуры, реализующей способ измерений, для определения высоты подъема человека относительно какого-то уровня поверхности.

Известен барометрический жидкостной способ измерения высоты подъема над поверхностью объекта в земной атмосфере (Курс физики, том I. Физические основы механики. Молекулярная физика и термодинамика. Сущинский М.М., М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1973. - 352 с.), заключающийся в наполнении жидкостью стеклянной трубки, запаянной на одном конце и открытой с другого конца, погруженной открытым концом в чашку (иногда называемую цистерной) с жидкостью, откачке воздуха в верхней части стеклянной трубки под ее запаянным концом, перемещении измерительного прибора, реализующего способ измерений, по высоте до уровня, высота которого, относительно поверхности объекта, вычисляется, измерении изменений формы чувствительного элемента (изменений высоты подъема столба жидкости в стеклянной трубке) относительно начального положения (вызванных воздействием на чувствительный элемент изменившегося давления атмосферы при перемещении измерительного прибора по высоте) при перемещении чашки (цистерны) с жидкостью вверх до уровня измеряемой высоты подъема относительно того положения, когда уровень жидкости в ней совпадал с уровнем поверхности объекта (например, поверхности моря), по результатам измерений вычисление высоты подъема чашки (цистерны) с жидкостью относительно того положения, когда уровень жидкости в ней совпадал с уровнем поверхности объекта.

Признаки, общие с заявляемым способом:

- перемещение измерительного прибора, реализующего способ измерений, по высоте до уровня, высота которого, относительно поверхности объекта, вычисляется;

- высота подъема относительно поверхности объекта в атмосфере вычисляется по величине изменений формы чувствительного элемента (изменений высоты подъема столба жидкости относительно начального положения), вызванных изменением давления земной атмосферы при изменении высоты подъема.

Способ имеет следующие недостатки:

- низкая точность измерений, результаты вычислений высоты подъема в атмосфере относительно поверхности объекта, основанные на использовании барометрической формулы, могут рассматриваться только, как полуколичественные (Курс физики, том I. Физические основы механики. Молекулярная физика и термодинамика. Сущинский М.М., М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1973. - 352 с.), т.к. температура реальной атмосферы меняется с высотой, а также с высотой меняется смесь газов атмосферы (с увеличением высоты атмосфера становиться богаче легкими газами, а также в атмосфере происходит постоянное перемешивание слоев газов из-за воздушных течений), а, значит, изменяется молекулярный вес газов атмосферы (чем больше молекулярный вес газа, тем быстрее его давление убывает с увеличением высоты);

- громоздкость и, как правило, хрупкость устройств, реализующих способ;

- результаты измерений искажаются из-за влияния на них веса столба жидкости в трубке, высота которого меняется с изменением величины давления атмосферы;

- рабочая жидкость с течением времени испаряется и превращается в пар, что требуется учитывать для обеспечения требуемой точности измерений;

- трудность автоматизации процесса считывания показаний измерительного прибора, реализующего способ.

Наиболее близким к предлагаемому голографическому способу измерения высоты подъема над поверхностью объекта в пределах земной атмосферы является анероидный способ измерения высоты подъема над поверхностью объекта в земной атмосфере (Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам / Рейфер А.Б., Алексеенко М.И., Бурцев П.Н. и др. - Л.: Гидрометеоиздат, 1971, с. 290-294.; Зайцева Н.А., Шляхов В.И. Аэрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, с. 90-94.), заключающийся в использовании в качестве чувствительного элемента прибора, реализующего способ измерений, упругого чувствительного элемента, перемещении измерительного прибора с упругим чувствительным элементом по высоте до уровня, высота которого относительно поверхности объекта измеряется, измерении температуры атмосферы, измерении изменений формы упругого чувствительного элемента относительно начального положения (деформации формы), вызванной воздействием изменившегося давления атмосферы с учетом ее температуры, по результатам измерений вычисление высоты подъема упругого чувствительного элемента измерительного прибора относительно поверхности объекта.

Признаки, общие с заявляемым способом:

- использование в качестве чувствительного элемента прибора, реализующего способ измерений, упругого чувствительного элемента;

- перемещение измерительного прибора с упругим чувствительным элементом, по высоте до уровня, высота которого, относительно поверхности объекта, вычисляется;

- высота подъема относительно поверхности объекта в атмосфере вычисляется по результатам измерений изменений формы упругого чувствительного элемента относительно начального положения (величины перемещения его поверхности), вызванных воздействием на упругий чувствительный элемент изменившегося давления атмосферы с учетом ее температуры.

Способ имеет следующие недостатки:

- низкая точность измерений, обусловленная тем, что для передачи величины деформации упругого чувствительного элемента используются механические передаточные элементы;

- низкая чувствительность измерений;

- ограниченный динамический диапазон, ограниченный пределом пропорциональности при деформации упругого чувствительного элемента.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и точности измерений.

Технический результат достигается тем, что для передачи величины деформации упругого чувствительного элемента не используются механические передаточные элементы, величину деформации формы (величину перемещений поверхности) упругого чувствительного элемента при изменении высоты подъема над поверхностью объекта в земной атмосфере определяют бесконтактно путем использования голографического интерферометра с полуотражательной фурье-голограммой, величину деформации упругого чувствительного элемента определяют путем анализа параметров интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром, анализируют изменения интенсивности оптического поля в плоскости интерферограммы и направление перемещения (сбегание или разбегание) интерференционных полос кольцевой формы.

Для достижения технического результата в голографическом способе измерений высоты подъема над поверхностью объекта в пределах земной атмосферы используют в качестве чувствительного элемента прибора, реализующего способ измерений, упругий чувствительный элемент, перемещают измерительный прибор с упругим чувствительным элементом, по высоте в атмосфере до уровня, высота которого измеряется относительно поверхности объекта, вычисляют высоту подъема относительно поверхности объекта в атмосфере по результатам измерений изменений формы упругого чувствительного элемента относительно начального положения (величины перемещения его поверхности), вызванных воздействием на упругий чувствительный элемент изменившегося давления атмосферы с учетом ее температуры, для передачи величины деформации упругого чувствительного элемента не используются механические передаточные элементы, величину деформации формы (величину перемещений поверхности) упругого чувствительного элемента при изменении высоты подъема над поверхностью объекта в земной атмосфере определяют бесконтактно путем использования голографического интерферометра с полуотражательной фурье-голограммой, величину деформации упругого чувствительного элемента определяют путем анализа параметров интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром, анализируют изменения интенсивности оптического поля в плоскости интерферограммы и направление перемещения (сбегание или разбегание) интерференционных полос кольцевой формы.

Проведенный сравнительный анализ выявил следующие отличия заявленного способа от способа-прототипа:

1. Способ характеризуется наличием дополнительных действий над материальным объектом:

- формированием когерентного светового потока;

- фокусировкой и направлением когерентного светового потока с выхода коллиматора на фурье-голограмму голографического интерферометра с полуотражательной фурье-голограммой;

- измерением и анализом параметров пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром с полуотражательной фурье-голограммой;

- использованием голографического интерферометра с полуотражательной фурье-голограммой для измерения величины деформации упругого чувствительного элемента (перемещения его поверхности);

- анализом параметров интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром с полу отражательной фурье-голограммой.

2. Изменена совокупность действий над материальным объектом:

- для передачи величины деформации упругого чувствительного элемента не используются механические передаточные элементы;

- величина деформации упругого чувствительного элемента измеряется путем анализа параметров интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром.

На Фиг. 1 представлен один из возможных вариантов структурной схемы устройства, реализующего заявляемый способ измерения высоты подъема над поверхностью объекта в пределах земной атмосферы.

На Фиг. 1 использованы следующие обозначения:

1 - лазер;

2, 3 - линзы коллиматора;

4 - фокусирующая линза;

5 - полуотражательная фурье-голограмма;

6 - отражательное зеркало;

7, 8 - крепления для полуотражательной фурье-голограммы;

9 - упругий чувствительный элемент;

10 - фотоприемное устройство;

11 - пороговое устройство;

12 - решающее устройство;

13 - устройство индикации;

14 - корпус прибора.

Линиями со стрелками показаны направления распространения световых потоков.

В качестве отражательного зеркала 6 может быть использовано отражательное зеркало, жестко закрепленное на торце упругого чувствительного элемента 9 или металлическое зеркальное напыление на торце этого элемента.

В качестве упругого чувствительного элемента 9 могут быть использованы гофрированная мембранная коробка или сильфон, внутренний объем которых заполнен вакуумом или газом под известным давлением.

В качестве фотоприемного устройства 10 могут быть использованы линейка или матрица фоточувствительных элементов на основе приборов с зарядовой связью.

В качестве порогового устройства 11 могут быть использованы линейки или матрицы пороговых элементов в интегральном исполнении (например, триггеров Шмитта) или другие типы пороговых устройств.

В качестве решающего устройства 12 для обработки сигналов, поступающих от порогового устройства 11, могут быть использованы микроконтроллеры, содержащие встроенные датчики температуры (например, тридцати двух битный микроконтроллер STM32F103) или устройство обработки сигнала, выполненное на основе отдельных электронных элементов и датчиков температуры.

Для компенсации температурных погрешностей устройства измерения высоты подъема в пределах земной атмосферы на поверхность упругого чувствительного элемента наносится термочувствительный слой. При изменении температуры окружающей среды внутренний объем мембранной коробки или сильфона увеличивается ровно настолько, насколько изменяется при этом объем газовой среды в нем при нагреве, что обеспечивает возможность компенсации, таким образом, температурных погрешностей в автоматическом режиме.

Устройство, представленное на Фиг. 1, работает следующим образом. Излучаемый лазером 1 световой поток направляется на линзу 2 коллиматора, которая фокусирует этот световой поток. Далее этот световой поток падает на линзу 3 коллиматора, которая является фокусирующей. Передний фокус линзы 2 и задний фокус линзы 3 коллиматора совпадают. На выходе линзы 3 коллиматора формируется световой поток равномерной плотности с плоским волновым фронтом, четкими краями и требуемой апертурой, который направляется ею на фокусирующую линзу 4. Фокусирующая линза 4 фокусирует падающий на нее световой поток и направляет его в плоскость полуотражательной фурье-голограммы 5. Световой поток, падающий на полу отражательную фурье-голограмму 5, частично дифрагирует от нее, а частично проходит через полу отражательную фурье-голограмму 5, отражается отражательным зеркалом 6 и повторно проходит через полуотражательную фурье-голограмму 5, частично дифрагируя от нее. Световой поток, дифрагировавший от полуотражательной фурье-голограммы 5 и световой поток, прошедший через полу отражательную фурье-голограмму 5, отраженный отражательным зеркалом 6 и повторно прошедший через полуотражательную фурье-голограмму 5, направляются в плоскость фотоприемного устройства 10, где образуют интерферограмму в виде светлых и темных полос кольцевой формы. При перемещении устройства измерений в атмосфере вверх или вниз относительно плоскости объекта, до которой измеряется высота подъема, изменяется атмосферное давление, воздействующее на упругий чувствительный элемент 9 устройства измерений. При уменьшении атмосферного давления упругий чувствительный элемент 9 начинает деформироваться таким образом, что жестко закрепленное на нем отражательное зеркало 6 начинает перемещаться вверх (Фиг. 1), уменьшая, тем самым, расстояние между полуотражательной фурье-голограммой 5 и отражательным зеркалом 6. При увеличении атмосферного давления упругий чувствительный элемент 9 начинает деформироваться таким образом, что жестко закрепленное на нем отражательное зеркало 6 начинает перемещаться вниз (Фиг. 1), увеличивая, тем самым, расстояние между полуотражательной фурье-голограммой 5 и отражательным зеркалом 6. При перемещениях отражательного зеркала 6, обусловленных деформацией упругого чувствительного элемента 9, изменяются параметры интерферограммы, формируемой в плоскости фотоприемного устройства 10. Смена фазы светового потока в центральном кольце интерферограммы на π происходит при перемещении отражательного зеркала 6 относительно полуотражательной фурье-голограммы 5 на величину $$\frac{\lambda }{2}$$, где λ - длина волны оптического излучения. При этом, порядка 90% энергии светового потока, падающего в плоскость фотоприемного устройства 10, концентрируется в пределах пятна, радиус которого в 1,6 раза больше радиуса центрального пятна интерферограммы (Д.А. Безуглов, А.Г. Прыгунов, В.В. Трепачев. Анализ дифракции света на эталонной голограмме при измерении перемещений объектов пространственно-спектральным методом. // Автометрия СО РАН №5, 1998, с. 27-37). Это обеспечивает, при регистрации изменений пространственно-спектрального распределения интенсивности оптического поля в плоскости интерферограммы, уверенное измерение перемещений отражательного зеркала 6 относительно полуотражательной фурье-голограммы 5 на уровне 10^-9 м и менее. Этим достигается повышение чувствительности и точности измерений по сравнению с прототипом. Размеры интерференционных полос кольцевой формы в плоскости интерферограммы будут определяться параметрами оптического поля, экспонированного на полуотражательной фурье-голограмме 5, кривизной волнового фронта светового потока, падающего на полуотражательную фурье-голограмму 5 и взаимным пространственным положением полу отражательной фурье-голограммы 5, отражательного зеркала 6 и входной плоскости фотоприемного устройства 10 (Звездина М.Ю., Прыгунов А.Г., Трепачев В.В., Прыгунов А.А., Самоделов А.Н. Исследование условий экспонирования эталонной голограммы голографического интерферометра. // Физические основы приборостроения, 2012. Том 1. №2, ISSN: 2225-4293, М.: НТЦ УП РАН. - с. 65-72.). Выход каждого отдельного фоточувствительного элемента фотоприемного устройства 10 соединен со входом соответствующего ему порогового элемента порогового устройства 11. На выходе каждого порогового элемента порогового устройства 11, в зависимости от освещенности соединенного конкретно с ним фоточувствительного элемента фотоприемного устройства 10, формируется «единица» или «ноль» цифровой информации. Каждому положению отражательного зеркала 6 будет соответствовать однозначная кривизна волнового фронта светового потока, падающего на полуотражательную фурье-голограмму 5, а значит и соответствующий этому цифровой двоичный код на выходах пороговых элементов порогового устройства 11. Цифровые двоичные коды, соответствующие параметрам каждой конкретной интерферограммы поступают на входы решающего устройства 12. При анализе параметров интерферограммы, формируемой в плоскости фотоприемного устройства 10 необходимо учитывать следующее:

- при увеличении кривизны волнового фронта светового потока, падающего на полуотражательную фурье-голограмму 5 (Фиг. 1), интерференционные полосы на интерферограмме сбегаются к центру интерференционной картины;

- при уменьшении кривизны волнового фронта светового потока, падающего на полу отражательную фурье-голограмму 5 (Фиг. 1), интерференционные полосы на интерферограмме разбегаются от центра интерференционной картины;

- при полном совпадении кривизны волнового фронта светового потока, падающего на полуотражательную фурье-голограмму 5 (Фиг. 1), с кривизной волнового фронта светового потока, экспонированного на этой полуотражательной фурье-голограмме 5, в плоскости интерференции будет наблюдаться сплошная засветка (реально это условие получить практически невозможно и оно может не учитываться).

Решающее устройство 12 (Фиг. 1), на основе анализа значений цифровых двоичных кодов, поступающих на его входы, определяет величину перемещения отражательного зеркала 6 относительно полуотражательной фурье-голограммы 5 и, с учетом записанных в его память зависимостей величины деформации упругого чувствительного элемента 9 (величины перемещений его поверхности) от величины воздействующего на него внешнего атмосферного давления и с учетом температуры атмосферы, вычисляет высоту подъема устройства измерений с упругим чувствительным элементом 9 относительно плоскости объекта, до которой измеряется высота подъема.

Проведенный патентный поиск показал, что предлагаемое изобретение в полной мере отвечает критерию новизны.

Изобретение относится к способам измерения высоты подъема над поверхностью объекта в пределах земной атмосферы. В голографическом способе измерения высоты подъема над поверхностью объекта в качестве чувствительного элемента прибора, реализующего способ измерений, используют упругий чувствительный элемент в виде гофрированной мембранной коробки или в виде сильфона, внутренний объем которых заполнен вакуумом или газом под известным давлением. Измерительный прибор с упругим чувствительным элементом перемещают по высоте до уровня, высоту которого, вычисляют с помощью голографического интерферометра с полуотражательной фурье-голограммой, формирующего интерферограмму, на основе анализа параметров которой определяют величину изменения формы (величину перемещения поверхности) упругого чувствительного элемента относительно начального положения, вызванного воздействием на упругий чувствительный элемент изменившегося давления атмосферы с учетом ее температуры, на основе полученного результата вычисляют высоту подъема упругого чувствительного элемента измерительного прибора относительно поверхности объекта. Технический результат - повышение чувствительности и точности измерений высоты подъема над поверхностью объекта в пределах земной атмосферы. 1 ил.

Голографический способ измерения высоты подъема над поверхностью объекта в пределах земной атмосферы, заключающийся в том, что используют в качестве чувствительного элемента прибора, реализующего способ измерений, упругий чувствительный элемент, перемещают измерительный прибор с упругим чувствительным элементом, по высоте в атмосфере до уровня, высота которого измеряется относительно поверхности объекта, вычисляют высоту подъема относительно поверхности объекта в атмосфере по результатам измерений изменений формы упругого чувствительного элемента относительно начального положения (величины перемещения его поверхности), вызванных воздействием на упругий чувствительный элемент изменившегося давления атмосферы с учетом ее температуры, отличающийся тем, что для передачи величины деформации упругого чувствительного элемента не используются механические передаточные элементы, величину деформации формы (величину перемещений поверхности) упругого чувствительного элемента при изменении высоты подъема над поверхностью объекта в земной атмосфере определяют бесконтактно путем использования голографического интерферометра с полуотражательной фурье-голограммой, величину деформации упругого чувствительного элемента определяют путем анализа параметров интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром, анализируют изменения интенсивности оптического поля в плоскости интерферограммы и направление перемещения (сбегание или разбегание) интерференционных полос кольцевой формы.