Способ измерения угловой атмосферной рефракции и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к атмосферной оптике и может быть использовано для измерения искажений траектории распространения оптических волновых пучков рефракционного происхождения, в частности в локации, геодезии, геофизике, астрономии.

Известен дисперсионный способ измерения угловой рефракции, при котором измеряют спектральную разность рефракции (угловую дисперсию) для двух выбранных длин волн спектра с формированием интерференционной картины и ее анализом.

Устройство для реализации дисперсионного способа измерения угловой рефракции включает приемно-передающие оптоэлектронные блоки, фотоприемники, схемы обработки и анализа сигналов.

Недостатком способа-аналога и устройства для его реализации является низкая точность измерений угловой рефракции, достигающая 2-5 вто время, как требуется точность в десятые доли угловой секунды.

Этот недостаток обусловлен несовершенством способов регистрации интерференционной картины и устройств для их реализации, обладающих низкой чувствительностью к угловым изменениям.

К способу-аналогу можно также отнести способ измерения атмосферной рефракции, включающий пропускание излучения через два приемных канала, формирование интерференционной картины, измерение спектральной дисперсии атмосферы для двух оптических излучений с различными длинами волн, анализ разности хода интерферирующих лучей, фиксацию интерференционных полос на нуль индикатора, причем фиксацию совпадений интерференционных полос производят в противофазе.

Недостатком этого способа является низкая точность углбвой дисперсии ДгА и, как следствие, низкая точность определения угла рефракции, рассчитываемого по соотношению гА кА Д гА, КА 50 - 60 Di

(Л

ю

спектральный коэффициент для выбранных длин волн, что обусловлено низкой точностью определения доли порядка интерференции, а также слабой зависимостью оптической разности хода от угла прихода волны.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ измерения угловой атмосферной рефракции, согла сно которому излучение белого источника пропускают через два приемных канала с расстоянием В между ними, модулируют разность хода пучков, сводят пучки, прошедшие каналы, в один пучок излучения, одновременно модулируют излучение вспомогательного источника монохроматического излучения, прошедшего двуплечевой интерферометр Майкель- сона, измеряют амплитуду сигналов измерительного и опорного источников излучения, по которым судят о рефракции.

Недостатком способа-прототипа является узкий диапазон измеряемых параметров. Этот недостаток обусловлен тем обстоятельством, что способ-прототип обеспечивает измерение рефракции лишь в том случае, если известно истинное направление на источник излучения, безрефракционное.

В практических же случаях необходимо как раз иметь информацию о рефракции без знания истинного направления на источник

Известен угловой рефрактометр, содержащий два лазера с различными длинами волн и расположенные последовательно коллиматор, приемную оптическую систему, элемент поворота изображения, три по- ляризатора, двулучепреломляющую пластину, фотоприемник, схему регистрации, элемент разделения излучения, два компенсатора и два регулятора напряжения, схему сравнения напряжений.

Недостатком устройства-аналога является низкая точность измерения угловой рефракции, что обусловлено слабой зависимостью разности хода интерферируемых лучей, формируемых двулучепреломляющей пластиной, от угла прихода и низкой точностью определения долей порядка интерференции.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является астрономический рефрактометр, содержащий измерительный интерферометр с колеблющимся зеркалом, механически связанным с пьезокерамическим модулятором, соединенным со звуковым генератором и генератором постоянного напряжения, последовательно соединенные фотоприемник, синхронный детектор, второй вход которого соединен со звуковым генератором, регистрирующее устройство, опорный интерферометр с предметным и полупрозрачным зеркалами и последовательно соединенными фотоприемником, синхронным

детектором и регистратором, при этом колеблющееся зеркало выполнено в виде отражающей поверхности диагональной грани треугольной призмы, установленной на пье- зокерамическом модуляторе, одна из боковых граней призмы имеет отражающую поверхность, являющуюся предметным зеркалом опорного интерферометра, второй вход синхронного детектора опорного интерферометра подключен к выходу звукового генератора, а фотоприемник и полупрозрачное зеркало опорного интерферометра установлены на одной оси с пьезокерамическим модулятором.

Недостатком устройства-прототипа является тот факт, что оно может быть исполь- зовано для измерения абсолютной рефракции лишь при известном истинном безрефракционном направлении на источник или же рефракции относительно условного направления, а также приращения рефракции во времени. Это обстоятельство сужает диапазон измеряемых параметров устройства-прототипа.

Цель изобретения - расширение диэпазона измеряемых параметров.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения угловой атмосферной рефракции, включающем пропускание излучения через два приемных канала с расстоянием В между ними, модуляцию разности хода пучков, сведение пучков, прошедших каналы, в один пучок излучения, формирование электрического сигнала, согласно заявляемому изобретению, разность хода

пучков модулируют по гармоническому закону в одном из приемных каналов, разлагают сигнал в частотный спектр и измеряют амплитуды гармоник, по которым определяют амплитуду модуляции, выделяют первую

и вторую гармоники сигнала для двух длин волн AI и Кг , а угол рефракции г находят по соотношению

-1Г h и А2

г кА arctg а - - arctg Ь - ,(1)

где

U

Ji(2)l2(Ai) а (2)

U

J2()li(Ai)

U

b

Jl()l2(A2)

и

(3)

J2(27rg)l1(A2)

КА- спектральный коэффициент;

)- функция Бесселя перво- порядков от аргуменu - амплитуда модуляции: И.2 (Ai

амплитуды 1-ой и 2-ой гар11,2 (.А2 J

моник для длин волн AI и Аа .

Устройство для измерения угловой ат- мосферной рефракции, содержащее измерительный интерферометр в виде звездного интерферометра Майкельсона с переналоженными пучками, пьезокерамический модулятор, звуковой генератор, генератор, генератор постоянного напряжения; два фотоприемника, соединенные с регистрирующим устройством, причем пьезокерамический модулятор механически соединен с одним из внешних зеркал звездного интер- ферометра и электрически - со звуковым генератором и генератором постоянного напряжения, согласно заявляемому изобретению, оно снабжено спектроделителем, ус- тановленным на выходе звездного интерферометра и плоскопараллельной пластиной, установленной в одном из плеч интерферометра с возможностью поворота, регистрирующее устройство выполнено в виде двухканального спектроанализзтора и вычислительного устройства, при этом фотоприемники установлены за спектроделителем по ходу излучения и параллельно подключены к спектроанализатору, выход которого подключен к вычислительному ус- тройству.

Сущность заявляемых технических решений заключается в измерении разности углов прихода волн с различными длинами при совмещении оптической оси звездного интерферометра с направлением на источ- ник белого излучения.

Угол прихода излучения определяется как оптическая разность хода интерферирующих пучков 5Д1,2 , деленная на базу интерферометра В - расстояние между входными люками оптических каналов. Длл определения же оптической разности хода с высокой точностью введена модуляция по гармоническому закону. Поскольку регистрируемый сигнал является полигармониче- ским, он содержит гармоники, кратные основной модулирующей частоте и в то же время сигнал описывается через функции Бесселя, аргументом которых является па-, ( 2 л: U ,

раметр Z ( ) , связанный с амплитудой модуляции или виброперемещений зеркала интерферометра и Амплитуду и определяют по совпадению теоретических и измеренных значений функций Бесселя различных порядков. Для реализации способа в устройство введен спектроделитель, разделяющий принимаемое белое излучение по длинам волн на отражение и пропускание по двум каналам, в каждом из которых установлен фотоприемник с выходами, подключенными к спектроанализатору с двумя входами (каналами).

Для уравнивания оптических длин пле- чей интерферометра при визировании на источник установлена плоскопараллельная пластина в одном из каналов интерферометра. Обработка сигналов и вычисления ведутся с помощью мини ЭВМ, подключенной к спектроанализаторуТ

Сущность заявляемых технических решений поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена оптическая схема звездного интерферометра Майкельсона (ЗИМ) и диаграмма, поясняющая структуру распределения интенсивности в интерференционной картине 1 (5). Если источник находится под углом р к оси телескопа, то максимум картины смещен на величину б В sin у , угловое расстояние

- 1

между максимумами бЬр Аср В количество максимумов Qkop/бЬр - 57 .

На фиг.2 приведена оптоэлектронная схема заявляемого рефрактометра.

На фиг.З результаты обработки принимаемых сигналов на спектроанализаторе.

Устройство (рефрактометр) содержит две зрительные трубы в плечах ЗИМ: Li, La, Ls и 1.2, U, Le, глухие зеркала ML Ma, Мз, полупрозрачное зеркало М4 (светоделитель), спектроделитель FI, фильтр Fa, фотоприемники Oi и Фа. спектроанализатор С2, мини ЭВМ МЭТ, пьезокерамический модулятор 1П, звуковой генератор ЗН, генератор постоянного напряжения ГПН, плоскопараллельную пластину - компенсатор К.

Из входного зрачка Li, La. U и L2. Ц. Le свет падает на зеркало Mi (Ma), отражается под углом 90° и далее один из пучков проходит через плоскопараллельную пластину К и отражается от глухого зеркала Мз. Оба пучка складываются на n/л зеркале Мз и далее излучение разделяется по длинам волн фильтрами FI и Fa и попадает на соответствующие фотоумножители Oi и Фа. Зеркало Ма укреплено на пьезокёрамйческом элементе 1Л. При подаче на 1 П синусоидального напряжения зеркало осуществляет колебательные движения с амплитудой (0,2-0.5) А в зависимости от амплитуды напряжения управляемого с помощью ГПН, Компенсатор К установлен с возможностью

поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа в пределах 40-48°. Покрытие зеркал М2МзМц - внешнее, М - внутреннее. Толщина равна толщине компенсатора К. Фильтр FI (спектродели- тель) - интерференционный; отраженный от него свет по спектральному составу является дополнительным к прошедшему FI, фильтр F2 осуществляет добавочную коррекцию спектрального состава излучения, таким образом, чтобы на ФЭУ Фт и Фа падали потоки примерно одинаковой интенсивности с различными средними длинами волн. Оптическая схема реализует измерение угла прихода излучения на двух различных длинах волн, соответствующих средним длинам волн пропусканий фильтров Fi и (1 - Fi)F2.

Заявляемый способ реализуют с помощью описанного устройства следующим образом.

Визируют интерферометром на источник и пропуска ют его излучение через два приемных канала, формируют интерференционную картину в плоскости фотоприемников путем поворота пластины-компенсатора К и зеркал интерферометра. Подают напряжение на модулятор П и по гармоническому закону модулируют оптическую разность хода интерферирующих лучей на обеих длинах волн. Сигнал одного Из каналов разлагают в спектр с помощью спектроанализатора С 2 и измеряют амплитуды нескольких гармоник, кратных модулирующей частоте, включая основную, по которым определяют с помощью мини ЭВМ МЭ1 амплитуду модуляции (амплитуду виброперемещений зеркала М2). После этого на обеих длинах волн выделяют 1-ю и 2-ю гармоники сигнала и определяют их отH(Ai) H(A2) ношение и , а угол рефракции находят по соотношению (1) с учетом (2).

Для упрощения вычислительной процедуры способа с помощью ГПН изменяют напряжение на пьеэокерамическом модуляторе I П, изменяя тем самым амплитуду модуляции до тех пор. пока не будут равны функции Бесселя первого и второго порядков h 1г, что обеспечивается установкой предвычисленного напряжения U0 (И h). Значение спектрального коэффициента рассчитывается предварительного для выбранных длин волн известным путем.

На спектроанализаторе измеряют амплитуды гармоник сигнала, кратных основной частоте. Вычисляют на мини-ЭВМ теоретические значения аргументов функций Бесселя Zn(Zi). И, кроме того, вычисляют

значение 20|при котором Itsl2, a no Z0 рассчитывают амплитуду колебаний (модуляции) по соотношению

Ui,2 (4)

Реализация заявляемых технических решений.

Внешний вид устройства для осуществления способа приведен на фиг.4. Сигналы с ФЭУ подавались на входы двухканального анализатора спектра 2034 фирмы Брюль и Кьер. Результаты измерений приведены на фиг.З и табл.1, а результаты расчета нормы D(Z) при котором Z Z0 - в табл.2.

Амплитуда модуляции составила U 0,462 мкм с погрешностью mu 0,03 мкм.

Оценим влияние погрешности mu на точность угловых измерений. Для этого запишем (1) в виде

, ,ст.

f gtg-- - . (5)

Учитывая, что dln+i(Z)/dz о

5 ( ) + Jn -1(2 ) а также соотношения U «0-5 Я, Z 2,65, mu 0,03 Я/2 (результаты измерений), получим из (5) . mg 0,65f2mz-0,9 m z fO,9 2 л/1 mu (6) Одновременно имеет место соотношение

0

5

0

0

m д0 - j Jt ( 1 + tg2

т.е. m 0,2- 0,09-18

v2

на

базе В 6 м погрешность определения угла прихода составит (т 50 /В )/о 3 2 10 6 угл.с, а для спектральной разности m угл.с. В этих условиях погрешность угла рефракции при Q 50 составит 0,4. Это значит, что на базе 0,3м ,1.

В то же время в способе и устройствах- прототипах даже при регистрации 0,0007 доли порядка интерференции точность оп- 5 ределения угла дисперсии составит лишь 0,02- 0,03, т.е. заявляемые технические решения в 50-100 раз чувствительнее по углу по сравнению с прототипом.

Измерение рефракции осуществлялось Q на трассе длиной 6,16 км. Результаты измерений приведены в табл.3.

Значения отношений амплитуд гармоник H/I2 определялись на спектроанализаторе, 5i,2 - разности хода, рассчитанные на 5 мини ЭВМ, Ду- угол дисперсии, y (Ai)- угол рефракции для зеленой части спектра, Формула изобретения 1. Способ измерения угловой атмосферной рефракции, включающий пропускание излучения через два приемных канала с расстоянием В между ними, модуляцию разности хода пучков, сведение пучков, прошедших каналы, в один пучок излучения, формирование электрического сигнала, о т- личающийоя тем, что, с целью расширения диапазона измерения, разность хода пучков модулируют по гармоническому закону в одном из приемных каналов, разлагают электрический сигнал в частотный спектр и измеряют амплитуды гармоник, по которым определяют амплитуду модуляции, выделяют первую и вторую гармоники сигнала для двух длин волн AI и Кг , а угол рефракции г находят по соотношению

г кА В 1 arctg a -f- - arctg b -у™

Ш

где

Jl(2g#)l2(Ai) J2()li(Ai) Jl(2JT)i2(A2)

J2(2)ti(A2) К А- спектральный коэффициент: 11.2 -2- Функции Бесселя первого

и второго порядков от аргумента ( 2я- )

0

5

0

5

0

U - амплитуда модуляции; И,2 AI и U 1.2 А2 - амплитуда первой и второй гармоник для длин волн AI и А2

2. Устройство для измерения угловой атмосферной рефракции, содержащее измерительный интерферометр в виде звездного интерферометра Майкельсона с переналоженными пучками, пьезокерамиче- ский модулятор, звуковой генератор, генератор постоянного напряжения, два фотоприемника, соединенные с регистрирующим устройством, причем пьезокерамиче- ский модулятор механически соединен с одним из внешних зеркал звездного интерферометра и электрически - со звуковым генератором и генератором постоянного напряжения,отлича ющееся тем,что. с целью расширения диапазона измерения, оно снабжено спектроделителем. установленным на выходе звездного интерферометра, и плоскопараллелъной пластиной, установленной в одном из плеч интерферометра с возможностью поворота, регистрирующее устройство выполнено в виде двухканального спектроанализатора и вычислительного устройства, при этом фотоприемники установлены за спектродеяителем по ходу излучения и параллельно подключены к спектроанализато- ру. выход которого подключен к вычислительному устройству.

Использование: измерение искажений траектории распространения оптических волновых пучков рефракционного происхождения, в частности в локации, геодезии, геофизике, астрономии. Сущность изобретения: измеряют разности углов прихода волн с различными длинами при совмещении оптической оси звездного интерферометра с направлением на источник белого излучения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл. со С

35

Таблица

Таблица2

tf

Таблица 3

Wp00- ff,MttM

t

ДБ

-80

О

409

I