Способ определения времени распространения электромагнитных колебаний оптического диапазона Советский патент 1993 года по МПК G01S17/36 

Изобретение относится к лазерным информационно-измерительным системам с использованием передачи непрерывных не.- модулированных колебаний оптического диапазона со сравнением фаз принятого и переданного сигналов и может быть использовано Для измерения расстояний до объектов, скорости распространения оптических

колебаний, а также физических величин (давления, плотности, температуры и т.п.), влияющих на время распространения лазерного излучения .в различных средах.

Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерения путем определения времени распространения по трем промежуточным

измерениям интенсивности интерференционной полосы 39 счет исключения неоднозначности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в способ заключающийся в том, что электромагнитные колебания оптического диапазона разделяют на информационные и опорные, направляют информационные колебания на контролируемый объект, совмещают отраженные от объекта информа- ционные колебания с опорными до образования интерференционной картины в плоскости фотоприем.ника и измеряют выходное напряжение дифференциального фотоприемника, введены новые операции: перемещения дифференциального фотоприемника относительно интерференционных полос влево или вправо до достижения ближайшего нулевого значения его выходного напряжения; сдвига электромагнитных колебаний оптического диапазона по частоте на величину, при которой выходное напряжение дифференциального фотопри- емникэ Ui будет удовлетворять условию

(Kl,

где д U - порог чувствительности интерферометра, и измерения выходного напряжения дифференциального фотоприемника LH; дополнительной задержки опорных колебаний до достижения прежнего значения выходного напряжения фотоприемника;

- изменения направления сдвига электромагнитных колебаний на противоположное и измерение выходного напряжения дифференциального фотоприемника 1Гз;

- исключения дополнительной временной задержки опорных колебаний и измерение выходного напряжения дифференциального фотоприемника

- определение времени распространения информационных колебаний гх по формуле

где F - частота сдвига радиочастотного диапазона;

Го - время распространения опорных колебаний.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Электромагнитные колебания оптического диапазона разделяют на информационные и опорные. Информационные колебания направляют на контролируемый объект ими пропускают через исследуемую

среду, а опорные колебания распространяются в среде с известными параметрами. Совмещают отраженные от объекта или прошедшие среду информационные колебания с опорными до образования интерференционной картины в плоскости фотоприемника, Интенсивности интерференционной полосы в выбранной точке определяется выражением

1Н1+12+2(ГП2С08(Ф1-Ф2)..(1)

где И, 12 соответственно интенсивность опорной и информационной волн;

ф-|, ф2 - начальные фазы интерферируемых волн.

А интенсивность интерференционной полосы, смещенной на полупериод интерференционной картины, имеет вид

ГН1+12-2 ТтТ2С08(Ф1-Ф2),(2)

Измеряют разность интенсивностей (1) и (2) интерференционной полосы вычитанием сигналов двух фотоприемников, щели пространственного фильтра которых сдвинуты на полупериод интерференционной картины.

Выбор начальной рабочей точки дифференциального фотоприемника осуществляется его перемещением влево или вправо относительно интерференционной полосы до получения на выходе нулевого сигнала, что соответствует расположению двух фотоприемников на границе темной и светлой полос интерференционной картины.

Разность фаз интерферируемых волн определяется временем распространения колебаний в информационном и опорном

каналах интерферометра

АФ ф1-ф2 а(гх-го)2уг(т+р), (3)

где (а - угловая частота колебаний;

7Х, то -время распространения соответственно информационных и опорных колебаний;

m - целое число фазовых циклов;

р - дробная часть фазового цикла. Получение выходного нулевого сигнала фотоприемника означает, что при данном положении дифференциального фотоприемника имеет место соотношение

о(гх-го)2л:т+ л/2, (4) которое соответст ет нулевому отсчету Uo на фиг. 1.

При изменении времени распространения информационных колебаний вследствие изменения положения объекта или скорости распространения оптических колебаний в среде изменяется первоначальная разность фаз информационных и опорных колебаний, что вызывает смещение интерференционных полос относительно щелей дифференциального фотоприемника.

При равенстве интенсивностей интерферируемых колебаний () суммарная и разностная интенсивности при дополнительной разности фаз Доопределяются выражениями

r 2 0 1+cos(2 + Л0):(5)

л

l 2lo 1-cos(+ Д01

(б)

Разность интенсивностей

А I r-r 4l0sln Л (f

(Ъ

сти фаз двух волн имеет место вблизи разности фаз Ф я/2, т.е. когда выходное ня пряжение близко к нулю.

Сдвигают частоту колебаний на вепичину Q , при которой выходное напряжение дифференциального фотоприемника превышает порог чувствительности и не выходит за пределы десяти порогов чувствительности интерферометрами

(9)

Измеряют полученное выходное напряжение фотоприемника, которое всоответст- вии с выражениями (4) и (8) имеет вид

(1+ X)i0sln

4S(1+ y)losln( ы- Q XTX- г0)+ д

45(1+ y)0sin(- QXr х- г0)+ д (10)

Изобретение относится к лазерным информационно-измерительным системам с использованием фаз принятого и переданного сигналов. Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений путем определения времени распространения по трем промежуточным измерениям интенсивности интерференционной полосы за счет исключения неоднозначности измерения. Цель изобретения достигается перемещением дифференциального фотоприемника относительно интерференционных полос до достижения нулевого значения его выходного напряжения, сдвига по частоте колебаний оптического диапазона на величину, при которой выходное напряжение фотоприемника превышает порог чувствительности интерферометра и не превышает значения, соответствующего линейному участку преобразовательной характеристики. Измеряют выходное напряжение фотоприемника 1Н„ дополнительно задерживают опорные колебания до достижения прежнего значения выходного напряжения фотоприемника, изменяют направление сдвига колебаний на противоположное и измеряют выходное напряжение фотоприемника Us, устраняют дополнительную временную задержку опорных колебаний и измеряют выходное напряжение фотоприемника Щ. Время распространения информационных колебаний определяют по формуле rx(U4-Ui)/{U3-Ui) 1 /F+ то, где F - частота сдвига радиочастотного диапазона, То - время распространения опорных колебаний. 2 ил. СП с 00 о 00 о ел

преобразуется дифференциальным фотоприемником в выходное электрическое напряжение

(1+y )(5

2S(T+ yjloSln (8)

где S -чувствительность дифференциального фотоприемника, у Д5/5 - относительная погрешность чувствительности от действия дестабилизирующих факторов (изменения температуры, нестабильность источников излучения, процессы старения элементов и др.), д - абсолютная погрешность нуля, связанная со смещением преобразовательной характеристики дифференциального фотоприемника из-за нестабильности темновых токов двух фотоприемников, дрейфа нуля усилителя и др.

Зависимость выходного напряжения дифференциального фотоприемника от разности фаз интерферируемых волн приведена, на фиг. .1. Преобразовательная характеристика интерферометра имеет циклических характер. Как видно из графика при работе на одном из участков характеристики показания интерферометра будут пропорциональны не полному фазовому сдвигу л (m+р), а только его дробной части jrp независимо от количества полных циклов т, предшествующих рабочему.

Каждый полупериод преобразовательной характеристики от Umin до Umax соответствует изменению разности фаз интерферируемых волн от 0 до л . Причем линейная зависимость выходного напряжения дифференциального фотоприемника от разно25

Для малых значений дополнительного фазового сдвига (sin Д A.f) имеем

(1+y)loQ(rx-r0)+ д (11)

где Q« (i)-частота сдвига колебаний. . Затем в опорном канале электромагнитные колебания дополнительно задерживают на время Дтг. Тогда измеренная дифференциальным фотоприемииком интенсивность становится равной

(1+X) (3 ; -451о(1 + уЖ -Q)Ar+Q(r х-TO) (12)

Время задержки Дг выбирают таким, чтобы измерение разности фаз интерферируемых волн составило бы величину

40

Д//71 - Я5

(13)

Из выражений (12) и (13) следует, что

45

.-.

(ft)-Q)

или

Дт

2л

(14)

Из графика, представленного на фиг. 1 видно, что введение такой задержки приводит к параллельному переносу точки Ui на преобразовательной характеристике на один цикл назад (из гп-го в (т-1)-й рабочий цикл).

Изменяют направление сдвига частоты электромагнитных колебаний на противоположное и регистрируют полученное выходное напряжение дифференциального фотоприемника

(1 + y)lo ((1 +

+ y) 10 ri + Q) Лт - Q (т x - r0) + д. (15)

Исключают дополнительную временную задержку Д г опорных колебаний. В результате напряжение на выходе дифференциального фотоприемника изменяется и становится равным

1)(1+у) 1ъ (Гх-ГоНб.

Изменение времени задержки опорных колебаний до прежнего значения Г0 приводит к возврату в первоначальный m-й рабочий цикл.

Т.о. в результате получаем четыре отсчета выходного напряжения дифференциального фотоприемника, два из которых Ui и U/j лежат на преобразовательной характеристике в m-м рабочем цикле, а два других - U2 и 1)з - в (т-1)-м.

Используя соотношения, справедливые для преобразования координат при их параллельном переносе, можно отсчеты U2 и 11з перенести на участок m-ro рабочего цикла преобразовательной характеристики. С учетом того, что разность между фазами интерферируемых волн Д р и составляет 2 л: см. выражение (13), запишем выражение для перенесенного отсчета U a в следующем виде

L)(1 + у)10 + ((1 + + у)1о( + 2 л) +(5 45(1+ у)0 + .

т.е. происходит слияние точек Ui и U a.

Для отсчета Ua выражение (15) в этом случае перепишется как

(1 + у)10 + д 4S( (1 +

+ у)о( + 2 л) 45(1+ y)lo(o + О Д г - О(тх - TO) +

+ б./(17)

В результате проведенного преобразования имеем три точки Ui, 1Гз(из)-и U-i (выражения (11), (16), (17), расположенные на одном линейном участке преобразовательной характеристики в окрестности рабочей точки Do, соответствующей максимальной чувствительности.

По измеренным значениям напряжений дифференциального фотоприемника определяют разности

U4-U r-8S(1 +1Л10Й (гх- г0)

U 3-Ui-4S(U } )1о( QArl2.4 (19)

Далее определяют отношения разностей напряжений (18) и (19)

Ж. - (r 1 °) Из -Ui of4-Tt)

Ю

или с учетом соотношения.(14)

U4-U1 Q(fx- Го)

ть-и,(20)

15 Из соотношения (20) можно определить время распространения электромагнитных колебаний оптического диапазона

U4-U1 „,«.

U4 -Ui 2л;jjЈ U3 .TT Го Уз1

7о

jyii

-Ui

, +То.

25

40

45

50

На фиг. 1 представлена зависимость выходного напряжения дифференциального фотоприемника от разности фаз интерферируемых волн; на фиг. 2 - пример выполнения устройства, реализующего предлагаемый способ.

оп

Устройство содержит оптический квантовый генератор 1, линзу 2, электрооптический модулятор света (ЭОМ) 3, управляющие входы которого через двойной переключатель 4 соединены с выходами радиочастот- ного генератора квадратурных напряжений (РГКН) 5, светоделительный кубик ..контролируемый объект 7, переменный аттенюатор 8, клин 9, неподвижное зеркало 10, пространственный фильтр 11, линзу 12, фотоприемники 13.1 и 13.2, выходы которых подключены к соответствующим входам дифференциального усилителя 14, выход которого соединен со входом индикатора 15. частотомер 16, вход которого подключен к одному из выходов РГКН 5.

Устройство работает следующим образом.

Излучение ОКГ 1 через линзу 2 и ЭОМ 3, на управляющие входы которого первоначально напряжение управления не подается, поступает на светоделительный кубик б, разделяющий колебания на информационные и опорные. Информационные колебания отражаются от контролируемого объекта 7 и поступают обратно на кубик 6. Опорные колебания проходят через переменный аттенюатор 8, отражаются от нет подвижного зеркала 10 и возвращаются на кубик 6. где совмещаются с информациейиыми колебаниями. Клин 9 в опорном канале отсутствует.

Совмещенные информационные и опорные колебания через пространственный фильтр 11, линзу 12 направляются на два фотоприемника 13.1 и 13.2, выходные сигналы фотоприемников поступают на соответствующие входы дифференциального усилителя 14. А результат обработки сигналов отображается на индикаторе 15.

В начале с помощью оптического аттенюатора 8 уравниваются интенсивности отраженных от объекта 7 и неподвижного зеркала 10 колебаний. Затем осуществляется выбор начальной точки на преобразовательной характеристике интерферометра. Изменяя положение пространственного фильтра 11 и фотоприемника 13.1 и 13.2, добиваются получения на выходе дифференциального усилителя 14 нулевого сигнала, что соответствует расположению двух фотоприемников 13.1 и 13.2 на границе светлой и темной полос интерференционной картины.

На управляющие входы ЭОМ 3 через двойной переключатель 4 с выхода РГКН 5 поступает квадратурный сигнал вида

tbHJsinQt; Qt,

где Ux, Uy- напряжения электрического поля вдоль осей ОХ и OY, перпендикулярных боковым граням активного электрооптического элемента ЭОМ 3,

В этом случае ЭОМ 3 работает в полуволновом режиме и на его выходе имеется одна составляющая оптического сигнала со смещенной на величину Q частотой. Регистрируют показания индикатора 15 Ui.

Затем положение клина 9 изменяют, что создает для распространяющегося в опорном канале излучения дополнительную временную задержку А г. По индикатору контролируют изменение выходного напряжения дифференциального усилителя 14 и прекращают перемещение клина 9 в момент получения на индикаторе 15 значение напряжения UL Это свидетельствует о том, что фазовый угол опорных колебаний изменился на величину In.

Изменяют положение двойного переключателя 4 на противоположное. В результате квадратурный сигнал, поступающий на управляющие входы ЭОМ 3, имеет вид

cos Qt;

sin Qt,

Это приводит к изменению направления вращения электрического поля активного кристалла ЭОМ 3, что вызыплет измопг; ние направления смешения частоты оптических колебаний на противоположное. Регистрируют измененное напряжение U.r Далее возвращают клин 9 в первоначальное положение, т.е. вынимают его из опорного канала, тем самым устраняется вводимая в опорный канал дополнительная временная задержка А, Регистрируют вы0 ходное напряжение дифференциального усилителя 14 Щ.

С помощью частотомера 16, соединенного с одним из выходов РГКН 5, производится измерение частоты сдвига О.. По

5 формуле (21) определяется время распространения оптических колебаний на удвоенном расстоянии от светоделительного кубика 6 до контролируемого объекта 7. По времени распространения можно опреде0 лить расстояние до объекта при известной скорости распространения или определить скорость распространения при известном расстоянии до отражателя 7.

Например, при измерении расстояния

5 до контролируемого объекта м вносимая дополнительная временная задержка в соответствии с выражением (14) составит при длине волны оптического излучения

0 2тг 1 1 1

Дг-й -т -т-об.1о

1,7.10 с.

Время распространения излучения до объекта определяется величиной порядка

5

r 2L

tx - -- -

.

3-Ю8

Сравнительный анализ заявляемого способа с прототипом по техническим возможностям показывает, что определение времени распространения по трем промежуточным измерениям интенсивности интерференционной полосы полностью исключает неоднозначность измерения, что

расширяет диапазон измерения времени распространения электромагнитных колебаний в область больших задержек. Автоматическое исключение погрешностей измерения интенсивности полосы при обработке результатов измерений существенно повышает точность измерения времени распространения при действии на интерференционную систему дестабилизирующих факторов. Расширение диапазона измерений составляет сотни раз, а повышение точности измерений - 3-5 раз.

Формула изобретения Способ определения времени распространения электромагнитных колебаний

оптического диапазона, заключающийся в том, что колебания разделяют на информационные и опорные, направляют информационные колебания на контролируемый объект, совмещают отраженные от объекта информационные колебания с опорными до образования интерференционной картины в плоскости дифференциального фотоприемника и измеряют выходное напряжение дифференциального фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений путем определения времени распространения по трем промежуточным измерениям интенсивности интерференционной полосы за счет исключения неоднозначности измерения, перемещают . дифференциальный фотоприемник относительно интерференционных полос влево или вправо до достижения ближайшего нулевого значения его выходного напряжения Ui, сдвигают электромагнитные колебания оптического диапазона по частоте на величину, при которой выходное напряжение дифференциального фотоприемника Ui будет удовлетворять условию

ди лкик ю

рабочий цщл. т-и pafiowir цум

г

где д U - порог чувствительности интерферометра, измеряют выходное напряжение дифференциального фотоприемника Ut, дополнительно задерживают опорные колебания до достижения исходного значения выходного напряжения, изменяют направление сдвига электромагнитных колебаний оптического

диапазона на противоположное, измеряют выходное напряжение дифференциального фотоприемника из, исключают дополнительную временную задержку опорных колебаний и измеряют выходное напряжение

дифференциального фотоприемника U4, а время распространения информационных колебаний тх определяют по формуле

т

U4-Ui 1 ...U3-1 F

Т0,

где F - частота сдвига радиочастотного диапазона;

То - время распространения опорных колебаний.

л. т-и pafiowir цум

г

Фиг.1

Фие.г