Способ определения угла рефракции и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области рефрактометрии и может быть использовано для определения угловых коорди-. нат объектов в средах с меняющимся составом.

Цель изобретения - повышение точности измерений угла рефракции за счет учета нестабильности состава среды.

На чертеже представлена блок-схема устройства для осуществления способа.

Угол рефракции d можно представить в виде суммы стабильного и нестабильного членов

«X

d 40+ с(„с

(1)

где в- угол рефракции, определяемый стабильными компонентами,

с/нс УГОЛ рефракции, определяемый нестабильными (изменяющимися в процессе измерения) компо- нентами среды.

Стабильную составляющую угла рефракции d(Bможно определить известным дисперсионным способом, используя соотношение

«

К„Дс/

О I

(2)

где К0 - дисперсионный коэффициент,

конкретное значение которого определяется стабильными компонентами среды, в которой распространяются излучения на заданных длинах волн

/Ц и A

&d0- дисперсионная разность углоь рефракции на длинах волн

Л, и liv

Для определения нестабильной составляющей угла рефракции модулируют одну из длин волн излучения,напри- мер , по гармоническому закону:

Д, А° + Л, sin(fl,t + М1, ) , (3)

где А® - несмещенная длина волны из-

лучения источника, Л, и

SI,- амплитуда и частота модуляции,

с - текущее время, l.p - начальная фаза. Амплитуду модуляции Л выбирают из условия

, « ,

(4)

где sf Д° - ширина линии излучения источника,

2Л1 - ширина полосы модуляции излучения,

йА° - смещение линии излучения от-45 носительно центра линии поглощения нестабильного компонента.

Длина волны излучения Л ° выбирается для учитываемого нестабильного 50 Компонента среды в области нормальной дисперсии, но вблизи линии поглощения так, чтобы выполнялось соотношение

ir UI-LlM d Г I л Г (5) 55

При выполнении условия (5) вариации угла рефракции Лл 2 сЗ Ы /о(А1Лп опрьделяются, главным образом, вариациями нестабильной составляющей, т.е.

0

с

ис-« и-вл,

Используя известное выражение дисперсионного коэффициента для конкретного нестабильного компонента среды Ј,(Л, ): по величине /3ofHC можно определить нестабильную составляющую угла рефракции

f, ( Л, ) . (6) При этом полный угол рефракции в соответствии с (1) и (6) определяется из соотношения

о К0Ло(0+ f )

(7)

При наличии в среде N 1 нестабильных компонент полный угол рефракции, учитывающий стабильные и нестабильные составляющие, можно в соответствии с (7) определить из соотношения

d

ы

Ј

f ;( Л-) , (8)

5

0

5

0

5

где 1 - индекс учитываемого нестабильного компонента среды на длине волны излучения , f , (,;) и До(нс. - дисперсионный коэффициент и вариации угла рефракции для 1-го нестабильного компонента среды.

В этом случае прошедшее через среду излучение расщепляют на N пучков, выделяют с помощью фильтров излучения с длинами волн Л15..., Лы и определяют на каждой длине волны вариации угла рефракции /WHC .При этом стабильная составляющая угла рефракции о 0может быть определена по дисперсионной разности углов рефракции на выбранных длинах волн Д и Д s

i j.

i

Устройство для реализации способа

содержит излучатель 1, приемный объектив 2, компенсатор 3, фазовый модулятор 4, блок 5 пространственно-частотных фильтров, приемный блок 6,блок 7 перестройки излучателя по длинам волн, блок 8 модуляции излучателя, блок 9 исполнительных элементов, блок 10

управления компенсатором.

Устройство работает следующим образом.

,:

51

Световой пучок из излучателя 1 на выбранных п длинах волн проходит через среду,собирается приемным объективом 2 и проходит через компенсатор 3, предназначенный для компенсации дис персионной разности углов рефракции на выбранных длинах волн. Далее излучение проходит через фазовый модулятор 4, в котором дисперсионная разность углов рефракции преобразуется, в фазовую модуляцию, и попадает на блок 5 пространственно-частот- ных фильтров, в котором происходит пространственное расщепление исходно- го светового пучка на п пучков и фильтрация каждого из них на длине волны Л i-1,..,n. Далее п пучков с длинами волн Л( попадают в приемный блок 6, в котором происходит преоб- разование световых сигналов в электрические, формируются сигналы,пропорциональные дисперсионной разности углов рефракции Ло/0 и вариациям угла рефракции на длинах волн Л- Q /нс. для учитываемых нестабильных компонентов среды, и вычисляется угол рефракции по приведенному в способе алгоритму. Перестройка длин волн излучения для конкретных нестабильных компонентов среды производится блоком 7 перестройки излучателя по длинам волн, а модуляция длин волн излучения производится блоком 8 модуляции излучателя. Установка необходимых светофильтров на выбранные длины волн излучения /; в блоке пространственно- частотных фильтров производится блоком 9 исполнительных элементов. Сигнал, -пропорциональный дисперсионной разности углов рефракции uoLa, подается на блок 10 управления компенсатором, который изменяет положение компенсатора до тех пор, пока не будет скомпенсирована дисперсионная раз ность углов рефракции, и по величине сигнала, необходимого для полной компенсации, определяется величина &d0. Вариации угла рефракции д Ы нс.определяются в приемном блоке 6 синхронным детектированием с использованием в качестве опорных напряжений выходных напряжений блока 8 модуляции.

Таким образом, по измеренным значениям дисперсионной разности углов рефракции л d. 0 , определяемой стабиль ными компонентами среды, и по измеренным значениям вариаций угла рефрак- vi ции До ис., опр е деля емым н ее т абил ьными

,s

45

10 . г 2025 п - .

за

55

1816

компонентами среды, используя известные для конкретной среды выражения дисперсионных коэффициентов, вычисляют величину угла рефракции с/ , в котором учтен вклад, вносимый нестабильными компонентами среды.

Формула изобретения

1. Способ определения угла рефракции путем излучения электромагнитных волн на п разных частотах, пространственного разделения, частотной фильтрации и регистрации прошедшего через среду излучения, измерения дисперсионной разности углов рефракции и вычисления угла рефракции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет учета нестабильности состава среды, модулируют излучение на N длинах волн, где N - число учитываемых нестабильных компонентов среды и п Г 2 при N 1

I N при N 1,

измеряют вариации угла рефракции на N длинах волн модулированного излучения, обусловленные нестабильными компонентами среды, и корректируют по ним угол рефракции, при этом длины волн модулированного излучения A (...N) выбирают в области нормальной дисперсии сблизн линии поглощения э-го нестабильного компонента среды.

2. Устройство для определения угла рефракции, содержащее излучатель и последовательно оптически связанные приемный объектив, компенсатор, фазовый модулятор, блок пространственно- частотных фильтров, приемный блок, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, введены блок перестройки излучателя по длинам волн, блок модуляции излучателя, блок исполнительных элементов, блок управления компенсатором, при этом первые выходы блока перестройки излучателя по длинам волн соединены с первыми входами излучателя, а вторые выходы - с первыми входами блока исполнительных элементов, первые выходы блока модуляции излучателя соединены с вторыми входами излучателя, а вторые выходы - с вторыми входами приемного блока, первые выходы блока исполнительных элементов соединены с вторыми

входами блока пространственно-частотных фильтров, а вторые выходы - с тре тьйми входами приемного блока, вход

ре

15451818

блока управления соединён с выходом приемного блока, а выход - с вторым входом компенсатора.

Изобретение относится к рефрактометрии и может быть использовано для определения угловых координат объектов в средах с меняющимся составом. Целью изобретения является повышение точности измерений угла рефракции за счет учета нестабильности состава среды. Среду с нестабильным составом зондируют электромагнитными волнами на N разных частотах, N излучений из которыз модулируют по длине волны. При этом длины волн излучения λ_I(I = 2,....N

N - число учитываемых нестабильных компонент среды) выбирают в области нормальной дисперсии вблизи линии поглощения I - го нестабильного компонента среды, а N = 2 при N=1 и N=N при N*981. Прошедшее через среду излучение расщепляют на N пучков, в каждом из которых отфильтровывают излучение с соответствующей длиной волны λ_I, и измеряют дисперсионные вариации угла рефракции на каждой длине волны λ_I, возникающие из-за модуляции несущей частоты. По измеренным значениям вариаций угла рефракции и известным выражениям дисперсионного коэффициента вычисляют угол рефракции, обусловленный нестабильными компонентами среды. По дисперсионной разности углов рефракции излучений на двух выбранных длинах волн вычисляют угол рефракции, обусловленный стабильными компонентами среды, и корректируют его величину значением угла рефракции, обусловленным нестабильными компонентами среды.

2п