Способ измерения вариаций показателя преломления Советский патент 1985 года по МПК G01N21/45 

1 Изобретение относится к технической физике и предназначено для измерений физических свойств прозрачных сред, в частности для интерферированных измерений показателя (коэффициента)преломления морской воды, и может найти применение в океанологии при автоматизированном определении параметров морской воды выражаемых через ее показатель преломления (соленость, плотность и др Известен способ регистрации изме нений (вариаций) показателя преломления прозрачных сред путем регистр ции приращений целых и дробных частей порядков интерференции при изменени коэффициентов преломления исследуем среды с помощью двухлучевого интерферометра (типа Ма кельсона, Жамена и др,) У которого оптически действу ющая длина расположена в исследуемой среде Cl } Недостатком этого свособа является невозможность одновременной реализации высокой точности и досто верности результатов измерений при измерении в турбулентных слоях. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения вариаций показателя преломления, включающий распределение излучения с длиной волны А в основной и дополнительный каналы, разделение излучения в каждом канале на опорный и измерительный потоки излучения, воздействие этих потоков на исследуемую среду, сведение их вместе и регистрацию по полученной интерференционной картине дробных порядков интерференции Е и Cg соответственно в основном и дополнительном каналах. При этом способе также Mj порегистрируют целые части N и рядков интерференции соответственно в основном и дополнительном каналах О величине вариаций показателя преломления судят по разности результатов измерения целых и дробных порядков интерференции в основном и допол нительном каналах 2j. Недостатком известного способа измерения вариации показателя прелом ления и устройства, реализующего этот способ, является невозможность одновременной реализации высокой точности и достоверности результатов измерений из-за наличия п воде турбу лентных слоев, в KOTOPF.1X происходит 16 пропадание сигналов. Наличие турбулентных слоев,вызванных, Например, подводными течениями, градиентами температур, солености и другими причинами, из-за изменений, волновых фронтов интерферирующих пучков приводит к флуктуациям углов прихода или пространственной расфазировке лучей на случайных неоднородностях среды, имеющих размеры порядка размеров первой зоны Френеля, При этом размеры неоднородностей совпадают с размерами наименьших вихревых образований, возникающих в воде в соответствии с ее гидродинамическими свойствами. Преломление лучей на этих неоднородностях приводит к искажению фронтов пучков и отклонению от прямолинейного направления распространения. Флуктуации параметров пучков вызывают изменения величины выходных сигналов интерферометров вплоть до полного их исчезновения, когда интерферирующие пучки либо полностью разошлись, либо когда в Поле интерференции возникает более чем одна интерференционная полоса. После выхода из турбулентного слоя сигналы интерферометров восстанавливаются. Однако однозначное соответствие между изменением коэффициента преломления среды и изменением фазы интерферирующих пучков имеет место только в пределах одного порядка интерференции, если же приращение фазы, соответствующее раз- ности значений коэффициента преломления воды на границах турбулентного слоя, больше одного порядка интерференции, то однозначное соответствие отсутствует, так как в турбулентном слое нарушена непрерывность отслеживания целого числа порядков интерференции. Это приводит к значительным ошибкам в результатах измерений, а также к недейственности способа в турбулентных слоях. Цель изобретения - повышение помехозащищенности измерений вариаций показателя преломления в естественных условиях, т.е, обеспечение возможности продолжения измерений с высокой чувствительностью после прохождения турбулентного слоя. Поставленная цель достигается тем, что при способе измерения вариаций показателя преломления, включающем распределение излучения с длиной волны Л в основной и дополнительный каналы, разделение излуче ния в каждом канапе на опорный и измерительный потоки излучения, воздействие этих потоков на исследуемую среду, сведение их вместе и регистрацию по полученной информационной картине дробных порядков tj соответственинтерференции и но в основном и дополнительном кана лах, воздействие потоков излучения на исследуемую среду осуществляют в каналах с оптически действующей длиной для основного канала, причем ,&(Af2)/u, вариации где ,, - максимальные показателя преломления и с оптически действующ длиной 2 для дополнит канала, причем L е.7х(/-ч/2/г;сд/г), где cf4 - точность измерения дробной части порядка интерференци в дополнительном канале; (fr - требуемая точность измерен вариаций показателя прелом ления; L - максимальная оптически дей ствующая длина дополнитель ного канала, а вариации показателя преломления определяют по формуле лп , + г где k.j /2. На чертеже изображена функционал ная схема устройства, реализующая предложенный способ измерения. Устройство 1 регистрации через кабель-трос 2 получают из водонепр ницаемой гондолы 3 информацию от измерителей дробных частей порядко интерференции 4 и .5 интерферометро (основного канала) и 7 (дополнител ного канала). Излучение лазера 8 распределяется Светоделителем 9 в основной и дополнительный интерфер метры (каналы). Светоделители 10 и последних перераспределяют входящи в ник пучки в опорный и измеритель плечи. Для того, чтобы оптически действующие длины интерферометров и 8, приходились только на воду и них не входили участки с воздушными промежутками и иллюминатором 12, отражатели 13 и 14 опорных плеч и интерферометров 6 и 7 вынесены за иллюминатор и закреплены так же, как и отражатели 15 и 16 измерительных плеч. Разность хода.лучей между отражателями 13 и 15 и, светоделителем 10 образует оптически действующую длину основного интерферометра, а разность хода лучей между отражателями 14 и 16 и светоделителем 11 оптически действукмцую длину р дополнительного интерферометра. Приращение фазы df интерференционного сигнала основного интерферометра связано сизменением показателя преломления морской воды Дп соотношением,Дп/(Л/2) (3) Для того, чтобы во всем диапазоне изменений показателя преломления морской воды Лп приращение фазы 4% не превышало одного порядка (д 2Г), оптически действующую на длину Р основного интерферометра выбирают из условия (1). Например, для , - 10 Р-, должна быть не более 0,32-10 м. Точность измерения вариаций показателя преломления сЛ, основным интерферометром ограничивается точностью измерения приращения дробной части порядка интерференции сЛЧи составляет 10, что для современных требований в океанологии недостаточно. Поэтому в предлагаемом способе требуемую точность измерения вариаций показателя преломления морской воды реализуют с помощью дополнительного интерферометра, оптически действующую длину 2 которого выбирают из условия (2). Для требуемой точности измерений сЛп 10 и дпя f оптически действующая длина г равна 32-10 м. Во всем диапазоне вариаций показателя преломления ,c приращение фазы дЧ2 дополнительного интерферометра составляет 100 целых порядков интерференции. При вариациях показателя преломления ЛГ1 приращения фазы A/j интерференционного сигнала дополнительного интерферометра имеют вид 511 4t/2/2 z(H/2Mn P2(A/2J4n f Pj /2|an}. ,. 0-) где Гр2( )l/2j дп - целочисленная часть, равная целому числу порядков интерференции; (/2)Л1 - дробная часть отношения, равная.дробной части порядка интерференции. При этом изменения фазы дЦ интерференционного сигнала на выходе основного интерферометра составят Atfj2Tr e V2)4n {,(a/2)jnj . (5) Так как п можно выразить в виде .. , то /l4j/2J ()E, tEi. Соотношение (6) используется для восстановления показаний дополнительного интерферометра после прохождения турбулентных слоев. Повышение помехозащищенности дос- зо имеет

тигается за счет восстановления информации о числе целых порядков интерференции, зарегистрированных в

измерения, меньшее временное разрешение и позволяет уменьшить пространственное разрешение до 1 см. 6 дополнительном канале (интерферометре) , После восстановления сигналов в интерферометре восстанавливается информация только об 2 . Поэтому для повышения помехозащищенности измерений используется явление самовосстановления информации в пределах одного интерференционного порядка. Для этого используют два канала: основной и дополнительный. В первом осуществляют измерения грубо, но обеспечивают однозначное соответствие f и дг во всем диапазоне измерения 4п, во втором реализуют заданную точность измерений параметра .ли . В результате после прохождения слоев, в которьгх происходит пропадание сигналов, возобновляется процедура измерений 4п с требуемой точностью. , Таким образом, использование изобретения позволяет с высокой точностью проводить измерения вариаций показателя преломления, например, морской воды (на основании которого можно вычислить вариации плотности воды) в естественных условиях, когда присутствуют различного рода турбулентные слои. По сравнению с известным способом предлагаемый значительно большую точность

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВАРИАЦИЙ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, включающий распределение излучения с длиной волны Л в основной и дополнительный каналы, разделение излучения в каждом канале на опорный и измерительный потоки излучения, воздействие этих потоков на исследуемую среду, сведение из вместе-и регистрацию по полученной интерференционной картине дробных порядков интерференции и 2 соответственно в основном и дополTMiiJi-r г 1 нительном каналах, отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности измерений, воздействие потоков излучения на исследуемую среду осуществляют в каналах с оптически действующей длиной i-, для основного канала, причем , .(/

Ч

к