Интерференционный способ измеренияРАССТОяНий Советский патент 1981 года по МПК G01C3/08 

(54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ

РАССТОЯНИЙ

Изобретение относится к области интерференционных геодезических измере- рений и может быть использовано при построении на местности геодезических сете высокой точности, при работах по изучению деформации земной коры и т.п. При интерференционных способах измерения расстояний, О уществляемых при помощи лазерных интерферометров, необходи МО определять количество полуволн света лазера, . укладывающихся на измеряемом расстоянии. Известен способ, решающий эту задачу применением нескольких длин волн из- лучения и именуемый методом совпаде- НИН дробных частей алии волн ClJ. Он находит применение в метрологии для из мерения эталонов длины порядка мегра, но не может быть использован для измерения больших расстояний (порядка сотен метров), так как гфи этом требуется пре дварительно знать измеряемое расстояние с точностью которая не может быть обе- спечена извесгным: средствами при линиях такой цлинь. Известен также способ Г21, в котором количество полуволн света лазера, содержащееся в измеряемом расстоянии, опре- цаляют путем счета интерференционных полос при перемещении подвижного отражателя вдоль осей измеряемой линии. Недостатком данного способа является то что указанное перемещение отражателя на большие расстояния (согни метров чреввычайно трудно осуществимо и поэтому на линиях указанной длины на используется. В итоге современные лазерные интерферометры измеряют не сами расстояния, а лишь ях изменения. Целью изобретения является обеспечение возможности измерения расстояний при рабог& в открытой атмосфере без перемещения отражателя вдоль всей трассы. Цель достигается тем, что во время измерений перемещением отражателя изментот разность кода лучей, определяющую измеряемое расстояние, до величины кратной полуцелому числу длин резонатора лазера, фиксируя этот момент по минимальной контрастности интерференционной картины, измеряют это перемещени Теоретические предпосылки способа состоят Б слеаующем. Известно, что лазер генерирует две близких спектральных линии с длинами волн Д и Я2 - + ЛД , то видимость (контрастность) интерференционных полос, наблюдаемых в интерферометре, является периодической функцией разности .хода интерферирук щик лучей с пространстве1шым приводом Я /Л Я. . Пусть генерируемые частоты V-t ид ,2 соответствуют центрам двух сосед- Ht;x аксиальных мод резонатора, тогда их разность, как известно, будет равнаН, . где С - скорость света, L - длина резонатора. Переходя от частот к длинам волн , C/V, получим Лд-Л-, -1 Л -2L , - z и Т.е. пространственная периодичность изменения контрастности равна удвоенной длине резонатора лазера. Это обстоятель ство неоднократно отмечалось эксперимен гально. Таким образом, при разности хода, равной 2NL {N - целое число), наблюдается максимальная контрастность интер ференционной картины, а при разности хода, равной (2N +1)L , контрастнрсть равна нулю (минимальная). Это явление дает возможность выразить измеряемое расстояние, представляющее собой разность хода интерферирующих лучей, в дли нах резонатора лазера. При этом дробную часть длины резонатора можно измерить непосредственно, перемещая отражатель до момента исчезновения контраста, а целое число длин, резонатора в измеряем линии - определить из более грубых, на пример светодальномерных, измерений. Способ может быть реализован при по мощи схемы, изображенной начертеже.Из лучение от газового лазе{эа 1, генерирую щего одновременно две аксиальные моды направляют в интерферометр типа Майкел сона, состоящий из светоделительного зеркала, 2, неподвижного отражателя 3, неподвижного отражателя 4, установленн на другом конце измеряемой линии, по вижного отражателя 5, укрепленного на каретке 6, могущей перомещапзся по наП завляющим 7, и при(миого устройства 8. Перемещение подв11жного отражателя 5 Может быть отсчитано при помощи измерительного индикатора перемещений 9. Приемное устройство 8 содержит оптическую систему 10, проектирующую интерференционную картину на регулируемую ,/систему щелей {двухщелевую диафрагму) 11. Систему щелей ре1 улируют таким образом, чтобы через оцну щель проходил свет от светлой интерференционной полосы, а через другую - от темной. Через щели свет от интерференционной картин; попадает на сканирующее устройство 12, проектирующее на катод фотоумножителя 13 изображения светлой и темной полосы с некото ,рой частотой. К выходу фотоумножителя 13 подключено регулирующее устройство 14, способное фиксировать моменты, когда амплитуда сигнала частоты сканирования равна нулю или минимальна. Приемное устройство таким образом ре гуллрует коитрасгность образующейся в плоскости щелей интерференционной картины путем сравнения световых потоков, поступающих на фотоумножитель от светлой и темной полос картины. Как известно, контраст определяется выражением 3(. 1глин tAOKC. интенсивности свет - лой и темной полос. Величина тока на выходе ФЭУ определяется интенсивностью поступающего на фотокатод света и, поскольку сканирующее устройство 12 осуществляет попеременную подачу noTOKOBJfjjyj, кии ФЭУ, на выходе последнего возникает переменный сигнал с частотой сканирования, амплитуда которого пропорииональна разности (макс JNVWH становится равной нулю при (.)О РИ нулевом контрасте, наблюдаемом при разности хода интерферирующих лучей равной (2N+ l)Li и приводимой к этому значению перемещением подвижного отражателя 5, Таким образом, предлагаемый способ заключается в том, что перемещают под i вижной отражатель 5 до тех пор, пока регистрирующее устройство 14 не зафиксирует нулевое значение амплитуды выходного сигнала фотоумножителя 13, и затем при помощи измерительного устройства 9 измеряют перемещение подвижного отражателя 5, после чего длину измеря- емой линии (расстояние ог референтной плоскости R цо неподвижного отражателя 4) определяют по формуле I)(2M+1)te+dr(N+)bie + d , где L - известная алина резонатора лазера, К - намереннее перемещение подвижного отражателя, (3 - постоянная поправка, учитывающая дополнительный ход луча в оптической линии (в блоке подвижного отражателя), а целое число N известно, указывалось ранее, из более грубых измерений. Знак перед С опрецел егся направлением перемещения отражате ля. Возможная точность способа определяется тем минимальным изменением раз ности хода, при котором изменение разности Рщлакс- мии) Щ может быть зарегистрировано приемником в условиях .турбулентной атмосферы. Для оценки удобнее пользоваться относительной мерой разности Pwawi-Змин /т-е. контрастность К. Можно показать, что если интенсивное ти излучений с длинами волн и Я./ в точке интерференции одинаковы, то контрастность определяется выражением ЛГо 37-сА Vcos-j COS , где п - разность порядков интерференции для длины волн Я (f- - разность хода. Отсюда, видно, что контрастность равна нулю при Л:(аМ-и) Если эту разность хода,соответствующую нулевому контрасту, изменить на неболь шую величину гЗ о, то контрастность возрастет от нуля до некоторой величины Дифференцируя выражение для К, получим откуда при lav.1,5 в настоящее время применение фотоэлектрических методов позволяет (змерят контрастность с точностью до 10 3 v.e, минимальная регистрируемая волнчии;1сЗх составляет 0,001, Подставляя это значе. ние в послеанюю формулу и полагая длину резонатора Ц равной -30 см, получим, что чувствительность способа будет составлять L 0,2 мм , т.е, будет вполне достаточной для многих применений. Формул изобретения Интерференционный способ измерения расстояний, основанный на периодическом изменении контрастности интерференционной картины от двухчастотного лазера при изменении разности хода интерферирующих лучей, отличающийся том, что, с целью обеспечения возможности измерения расстояний при работе в открытой атмосфере без перемещения отражателя вдоль всей трассы, во время измерений перемещением отражателя изменяют разность хода лучей, определяющую измеряемое расстояние, до величины, кратной полуцелому числу длин резонатора лазера, фиксируя этот момент по минимальной контрастности интерференционной картины, измеряют это перемещение, а искомое расстояние определяют по формуле: D(N t-j-)L±t-t-c , где L - известная длина резонатора лазера, 6 - измеренное перемещение, сЗ - постоянная величина, а число N определяют из более грубых дальномерных измерений, обеспечивающих измерение данной линии с точностью до длины резонатора L , Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Кондрашков А В. Интерференция света и применение ее в геодезии, Гео- дезиздат , М., 1956, с. 74. 2.Коломийцев Ю, В. Интерферометры, Л,, Машиностроение, 1976, с. 189 (прототип).

3

/

W.

JL5

Ч Ь- V