Автоматическое интерференционное устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы Советский патент 1984 года по МПК G01N21/41 G01B9/02 

О

б

00

vj

00

N5

Изобретение относится к атмосферной оптике и может быть исполЬзовано для измерения оптических характеристик атмосферы.

Известно интерференционное устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы, содержащее двухлучевой интерферометр и средства регистрации на кинопленку, установленные за щелью, расположенной в плоскости анализа СШ.

Недостатками устройства являются ограниченная точность измерения, Обусловленная несовершенн1ам методом регистрации смещений интерференционной картины в плоскости анализа, а также высокая трудоемкость процесса проявления пленки и обработки полученной информации.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является автоматическое интерференционное устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы, содержащее ;двухлучевой интерферометр, в одном из плеч которого установлен оптический элемент модулятора, выполненного в виде, генератора пилообразног напряжения, выход которого подключен к пьезоприводу оптического элемента, фотопреобразователь, установленный за щелью, расположенной в плоскости, анализа, причем выход фотопреобраэователя подключен к выхду фазометра, другой вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения С21.

Недостатком известного устройства является ограниченная точность измерения, обусловленная тем, что под действием различных влияющих факторов может изменяться амплитуда интерференционной развертки, что влечет за собой появление дополнительной постоянной составляющей (носящей случайный характер) в сигнале фототока на выходе фотопреобразователя и, как следствие, искажение фазы при измерении Фазометром

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Для достижения указанной цели в автоматическое интерференционное устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы, содержащее двухлучевой интерферометр, в одном из плеч которого установлен оптический, элемент модулятора, выполненного в видегенератора пилообразногр напряжения, выход которого подключен к пьезоприводу оптическог элемента, фотопреобразователь, установленный за щелью, расположенной в плоскости анализа, причем выход фотопреобразователя подключен к.

входуфазометра, другой вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, введены генератор импульсов и блок управления генератором пилообразного напряжения, -один вход которого подключен к выходу генератора импульсов, второ вход подключен к выходу фотопреобразователя, выход соединён с управляющим входом генератора пилообразного напряжения модулятора, а оптический элемент модулятора выполнен в виде прозрачной плоскопараллельной пластины,

На чертеже показана структурная схема устройства.

Устройство содержит двухлучевой интерферометр 1, в одном из плеч которого установлен оптический элемент 3 модулятора 2, выполненного в виде генератора 4 пилообразного Напряжения, выход которого подключен к пьезоприводу 5 оптического элемен та 3,. фотопреобразователь 6, установленный за щелью 7, расположенной в плоскости анализа, причем выход фотопреобразователя 6 подключен к входу фазометра 8, другой вход которого соединен с выходом генератора 4 пилообразного напряжения. Устройство также содержит генератор 9 импульсов и блок 10 управления генератором пилообразного напряжения один вход которого подключен к выходу генератора 9 импульсов, второй вход подключен к выходу фотопреобразователя б, выход соединен с управляющим входом генератора 4 пилооб;разного напряжения модулятора 2, . оптический элемент 3 модулятора 2 выполнен в виде прозрачной плоскопараллельной пластины.

Схема двухлучевого интерферометра 1 может быть, в частности, представлена оптической схемой модифидиро ванного интерферометра Жамена, состоящего из лазера 11, светодёлительной пластины 12 и оборотной призмы 13.

Автоматическое интерференционное устройство для измерения структурной характеристики показателя преломлени атмосферы функционирует следующим образом.

Луч лазера 11 падает на плоскопараллельное зеркало 12 интерферометра Жамена, имеющее значительную толщину. Отражаясь от передней (полупрозрачной) и задней (посеребренной) поверхностей, он разделяется на два когерентных луча. Пройдя атмосферную трассу длиной L, оба луча попадают на оборотную пгизму 13, а затем возвращаются на зеркало 12. .Здесь они .отражаются от разных поверхностей, но меняются местами, так что каждый луч один раз отражается от посеребренной поверхности и один раз от полупрозрачной, в

итоге интенсивности оказываются равными, и в плоскости анализа, куда лучи попадают после второго отражения от зеркала 12, наблюдается интерференционная картина в виде полос равного наклона. Узкая щель 7 ориентируется в перпендикулярном направлении по отношений к полосам интерференционной картины.

Измерение разности фаз между двумя световыми лучами осуществляется путем определения целой N и дробной Э частей интерференционной полосы в фиксируемом сдвиге интерференционной картины в плоскости анализа. В данном устройстве измереНИН величины сдвига интерференционной картины осуществляется методом интерференционной модуляции. Реализация этого метода предполагает использование в оптической схеме интерферометра Жамена 1 интерференционного модулятора 2, с помощью которого осуществляется периодичес.кое изменение оптической разности хода между двумя световыми лучами по линейному закону. В качестве оптического элемента модулятора 2 в данном случае предлагается использовать пtxэзpaчнyю плоскопараллелБную ; пластину 3, которая устанавливается :на пути распространения одного из световых пучков и может свободно поворачиваться с изменением угла наклона плоскости пластины к направлению распространения пучка. Поворот пластины 3 осуществляется с помощью пьезопривода 5, который преобразует сигнал пилообразного напряжения, поступающий с выхода генератора 4 пилообразного напряжения модулятора 3, в изменение угла наклона пластины к направлению распространения светового пучка. При линейном характере изменения оптической разности хода (применение

пилообразного сигнала напряжения

развертки) интерференционные полосы в плоскости анализа будут равномерно смещаться в направлении, совпадающем с направлением ориентации узкой щели 7, и на вход фотопреобразователя б будет поступать переменный световой поток, наложенный на посто янную фоновую составляющую. Сигнал с выхода фотопреобразователя 6 поступает на информационный вход фазометра 8. На опорный вход фазометра 8 поступает сигнал с выхода генератора 4. пилообразного напряжения модулятора 2. Определение дробной части интерференционной полосы 6 в сдвиге интерференционной картины осуществляв ется путем измерения временного интервала меящу началом развертки и первым переходом через средний уровень в с игнале на выходе фотопреобразователя 6. Определение целых интерференционных полос в интерференционной картины осуществляется по методу трех зон. . Затем в фазометре 8 определяется магнитное значение разности фаз Дф 24v( ) и по рассчитанным в течение каждого периода развертки значениям AUJi. рассчитывается вели-, чина дисперсии флуктуации фазылА 9

где t - число измерений д.. Данная величина структурной характеристики показателя преломления атмосферы - С расчитывается ро соотношению

АФЪ

)С2ЛГ/Д.12. L И Й-5 .3/2.)

U - расстояние между световыми

пучками/ cJ - исходный диаметр светового

пучка;

Л - длина волны света, 1 г /2,91 при

f2,

U.

46 при

Сигнал с выхода фотопреобразователя 6 поступает на первый вход блока 10 управления генератором 4 пило образного напряжения, на второй вход которого поступает сигнал с выхода генератора 9 импульсов. Блок 10 управления генератором 4 пилообразного напряжения предназначается для управления амплитудой сигнала интерференционйой развертки. С этой целью сигнал управления с выхода блока 10 управления подается на управляющий вход генератора 4 пилообразного напряжения. Последее позволяет разворачивать за один период развертки ровно целое число периодов интерференции, что искляочает появление дополнительной постоянной составляющей в сигнале фототока на информационном.Входе фазометра 8. Последнее позволяет реализовать точность измерения дробной части интерференционной полосы порядка 0,01-0,001 полосы (по сравнению с 0,05-0,1 полосы для известного устройства),-а достижение подобных точностных уровней измерения (5 позволяет соответственно повысить на порядок точность определения С по сравнению с известным устройством и довести ее до уровня 10 .

Процесс подстройки амплитуды генератора 4 пилообразного напряжения осуществляется следующим образо

Блок 10 управления осуществляет выделение разности между периодом

сигнала, имеющем место на выходе фотопреобразователя 6 и целым числом периодов генератора 9 импульсов, х.рактериэунядимся высоко стабильным периодом следования импульсов. На основании полученного результата фогм ируется управляющий сигнал, поступающий на управляющий вход генератора 10 пилообразного напряжения.

Предлагаемое устройство позволяет на порядок повысить точность измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферья и довести ее до . в свою очередь повышение точности измерения позволяет расширить динамический диапазон измерений CJ и осуществлять определение атмосферных параметров в условиях слабой турбулентности атмосферы.

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее ;с1вухлучевой интерферометр, в одном i. , из плеч которого установлен оптический элемент модулятора, выполненного в виде генератора пилообразного напряжения, выйод которого подключен к пьезоприводу оптического элемента, фотопреобразователь, установленный за щелью, расположенной в плоскости анализа, причем выход фотопреобразователя подключен к входу фазометра, другой вход которого соединен с выходом пилообразного напряжения, о т л ич а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в устройство введены генератор импульсов и блок управления генератором пилообразного напряжения, один вход которого подключен к выходу генератора импульсов, второй вход подключен к выходу фотопреобразователя, е выход соединен с управляняцим входом генератора пилообразного напряжения л модулятора, а оптический элемент W/ модулятора выполнен в виде прозрачной плоско-параллельной пластины.