Интерферометр абсолютного гравиметра Российский патент 2018 года по МПК G01V7/14 G01B9/02 

Известны лазерные [1-7] и атомные [8] интерферометры, применяемые в абсолютных гравиметрах, предназначенных для работы на неподвижном относительно Земли основании Известны гравиметры [2], у которых высота падения уголкового отражателя равна 70 мм. Известны гравиметры [7], у которых высота полета равна 2 мм. За прототип примем интерферометр гравиметра [1], у которого высота падения равна 20 мм.

В интерферометрах связанных с абсолютными измерениями используются два луча: эталонный, длина которого постоянна, и измерительный, длина которого изменяется при движении пробного тела. В месте пересечения лучей устанавливается экран, на котором образуется интерференционная картина, считываемая оптическими детекторами. При работе на подвижном основании пробному телу сообщается начальная скорость по пяти координатам, которая выводит измерительный луч из точки пересечения. Если используется лазерный интерферометр с уголковым отражателем, то отраженный луч будет перемещаться, оставаясь параллельным самому себе и лучу, падающему на уголковый отражатель.

Задача изобретения - сохранение положения отраженного луча в точке падения на экран опорного луча. Задача решена так, что на пути измерительного луча установлена оптическая система, направляющая его в точку пересечения с опорным лучом, независимо от перемещений измерительного луча в пространстве

Технический эффект заключается в повышении точности работы гравиметра и улучшении его эксплуатационных характеристик.

Устройство интерферометра приведено на Фиг. 1.

На Фиг. 1 изображены: 1 - излучатель, 2 - делительный оптический элемент, 3 - уголковый отражатель пробной массы, 4 - экран, 5 - фотодетектор интерференционных сигналов, 6 - фокусирующая линза, 7 - рассеивающая линза, 8 - дополнительная фокусирующая линза. Пунктиром показаны положения уголкового отражателя и лазерных лучей при смещении отражателя в горизонтальном направлении.

Луч излучателя 1 попадает на делительный элемент 2. На элементе 2 луч раздваивается: один поступает на уголковый отражатель 3, а второй на экран 4. На этот же экран попадает отраженный от уголкового отражателя луч. Возникающая при движении отражателя интерференционная картина считывается фотодетектором 5. При горизонтальном смещении уголкового отражателя отраженный луч будет перемещаться параллельно самому себе и может выйти за пределы зоны пересечения с опорным лучом. Для того чтобы этого не случилось необходимо скорректировать его путь, например, с помощью трубы, содержащей объектив 6, изменяющий направление луча, и окуляр 7, восстанавливающий направление. Перемещение луча на выходе из трубы будут на порядок меньше перемещений его на входе. Если этого недостаточно, то с помощью линзы 8 производят дополнительную фокусировку луча на заданную точку.

Оценим смещение луча при полезной высоте полета h=20 мм и времени измерения t=0,07с. Предположим, что гравиметр работает в условиях гармонической качки с амплитудой θ=0,1рад. и круговой частотой , а место установки гравиметра удалено от центра качаний на Н=1 м. Начальная горизонтальная скорость при броске пробного тела может достигать величины Смещение пробного тела по горизонтали за время полета с постоянной скоростью составит I₁=Hθωt=1000*0.1*1*0.07=7 мм, а смещение луча I₂=2I₁=14 мм.

Уменьшая высоту полета, удаление от центра качаний и начальную горизонтальную скорость, смещение луча можно многократно сократить, но это приведет к ограничению выбора конструкции и условий эксплуатации. Например, можно снизить высоту полета [7], до 2 мм. Можно выбрать момент броска, при котором горизонтальная скорость близка к нулю, но такое событие на каждом периоде качки происходит 2 раза, а многие гравиметры [1] работают сериями бросков, и в сериях многие измерения будут недостоверными. Можно ограничить степень волнения моря при измерениях, но это затянет цикл измерений, и может не дать возможности проводить измерения в нужное время в нужном месте.

Предложенное решение снимает ограничения на условия плавания и размещение прибора на корабле в процессе абсолютных гравиметрических измерений на море.

Литература.

1. А.Л. Витушкин. Разработка и исследование портативного абсолютного баллистического гравиметра с эксцентриковым механизмом бросания. М. 2002.

2. В.Б. Гужов, Н.Н. Кокошкин, В.Д. Шурубкин. Баллистический лазерный гравиметр. Паи. РФ 2193786 С1, 2001.

3. Е.Н. Калиш. Разработка и исследование измерительно-вычислительной системы баллистического лазерного гравиметра. М. 2003.

4. Г.П. Арнаутов, В.П. Коронкевич, Ю.Ф. Стусь. Интерферометр абсолютного баллистического гравиметра. Препринт 196. Новосибирск. 1982.

5. Л.Ф. Витушкин, О.А. Орлов, А. Джнрмак, Д. Д`Агостино. Лазерные интерферометры перемещений с субнанометровым разрешением в баллистических гравиметрах. Измерительная техника. 2012.

6. Г.П. Арнаутов, В.Н. Вьюхин. Аналого-цифровой интерференционный метод измерения ускорения свободного падения. Датчики и системы. 2013.

7. Akito Araya. Micro-distance toss-up type absolute gravimeter. US 2003/0136190 A1 Jan. 21, 2002.

8. В.Н. Барышев, Н.Ю. Блинов. Применение атомных интерферометров в гравиметрии. Измерительная техника. 2014.

Интерферометр относится к навигационному приборостроению и предназначен для работы на подвижном основании абсолютного гравиметра. Интерферометр содержит пробное тело с уголковым отражателем, опорный и измерительный лучи, совмещаемые в одной точке экрана. На пути измерительного луча установлена оптическая система, направляющая его в точку пересечения с опорным лучом независимо от горизонтального смещения уголкового отражателя. Предложенный интерферометр снимает ограничения на условия плавания и размещение прибора на корабле в процессе абсолютных гравиметрических измерений на море. Технический результат – повышение точности работы гравиметра и улучшение его эксплуатационных характеристик. 1 ил.

Интерферометр предназначенного для работы на подвижном основании абсолютного гравиметра, содержащий пробное тело с уголковым отражателем, опорный и измерительный лучи, совмещаемые в одной точке экрана, отличающийся тем, что на пути измерительного луча установлена оптическая система, направляющая его в точку пересечения с опорным лучом независимо от горизонтального смещения уголкового отражателя.