Автоматическое интерференционное устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы

Патент 1068782

Авторы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее ;с1вухлучевой интерферометр, в одном i. , из плеч которого установлен оптический элемент модулятора, выполненного в виде генератора пилообразного напряжения , выйод которого подключен к пьезоприводу оптического элемента, фотопреобразователь, установленный за щелью, расположенной в плоскости анализа, причем выход фотопреобразователя подключен к входу фазометра, другой вход которого соединен с выходом пилообразного напряжения, о т л ич а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в устройство введены генератор импульсов и блок управления генератором пилообразного напряжения, один вход которого подключен к выходу генератора импульсов, второй вход подключен к выходу фотопреобразователя, е выход соединен с управляняцим входом генератора пилообразного напряжения л модулятора, а оптический элемент W/ модулятора выполнен в виде прозрачной плоско-параллельной пластины.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) (П) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВЪ (21) 3430509/18-25 (22) 26.04.82 (46) 23.01.84. Бюл. М 3

:(72) В.Н.Гришин и Ю.В.Мищенко (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт (53) 535.242(088.8) (56) 1. Семенов A.A., Арсеньян Т.И.

Флуктуации электромагнитных волн на призменных трассах. М., "Наука", 1978, с. 190.

2. Авторское свидетельство СССР

:М 509767, кл. G 01 В 9/02, 1969 (прототип). (54)(57) АВТОМАТИЧЕСКОЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СТРУКТУРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОКАЗАТЕЛЯ

ПРЕЛОМЛЕНИЯ АТМОСФЕРЫ, содержащее двухлучевой интерферометр, в одном, из плеч которого установлен оптический элемент модулятора, выполненного в

Зи G 01 N 21 41 С 01 В 9/02 виде "генератора пилообразного напряжения, выйод которого подключен к пьезоприводу оптического элемента, фотопреобразователь, установленный за щелью, расположенной в плоскости анализа, причем выход фотопреобразователя подключен к входу фазометра, другой вход которого соединен с выходом пилообразного напряжения, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в устройство введены генератор импульсов и блок управления генератором пилообразного напряжения, один вход которого подключен к выходу генератора импульсов, второй вход подключен к выходу фотопреобразователя, ) выход соединен с управляющим входом генератора пилообразного напряжения фр модулятора, а оптический элемент ЪУУ модулятора выполнен в виде прозрачной плоско-параллельной пластины.

1068782

Изобретение относится к атмосфернОй оптике и может быть использовано для измерения оптических характеристик атмосферы.

Известно интерференционное устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы, содержащее двухлучевой интерферометр и средства регистрации на кинопленку, установленные эа щелью, расположенной в плоскости анализа !13.

Недостатками устройства являются ограниченная точность измерения, обусловленная несовершеннйм методом регистрации смещений интерференционной картины в плоскости анализа, а также высокая трудоемкость процесса проявления пленки и обработки полученной информации.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является автоматическое интерференционное устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы, содержащее . двухлучевой интерферометр, в одном из плеч которого установлен оптический элемент модулятора, выполненного в виде генератора пилообразного напряжения, выход которого подключен к пьеэоприводу оптического элемента, фотопреобразователь, установленный за щелью, расположенной: в плоскости,анализа, причем выход

Фотопреобразователя подключен к выхо ду фазометра, другой вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения С23.

Недостатком известного устройст ва является ограниченная точность измерения, обусловленная тем, что под действием различных влияющих факторов может изменяться амплитуда интерФеренционной развертки, что влечет за собой появление дополнительной постоянной составляющей (носящей случайный характер) в сигнале Фототока на выходе фотопреоб раэователя и, как следствие, искажение Фазы при измерении Фазометром.

Цель изобретения вЂ” повышение точности измерений.

Для достижения указанной цели в автоматическое интерференционное устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы, содержащее двухлучевой интерферометр, в одном из плеч которого установлен оптический. элемент модулятора, выполненного в виде генератора пилообразного напряжения, выход которого подключен к пьеэоприводу оптического элемента, фотопреобразователь. установленный эа щелью, расположенной в плоскости анализа, причем выход фотопреобразователя подключен к. входу фазометра, другой вход которого соедичен с выходом генератора пилообразного напряжения, введены генератор импульсов и блок управления генератором пилообразного напря5 жения,-один вход которого подключен к выходу генератора импульсов, второй вход подключен к выходу фотопреобраэователя, выход соединен с управляющим входом генератора пилообразного

30 напряжения модулятора, а оптический элемент модулятора выполнен в виде прозрачной плоскопараллельной пластины

На чертеже показана структурная

15 схема устРойства. устройство содержит двухлучевой интерферометр 1, в одном иэ плеч которого установлен оптический элемент 3 модулятора 2, выполненного в виде генератора 4 пилообразного напряжения, выход которого подключен к пьеэоприводу 5 оптического элемен» та 3, фотопреобразователь б, установленный эа щелью 7, расположенной

25 в плоскости анализа причем в д фотопреобразователя б подключен к входу Фаэометра 8, другой вход которого соединен с выходом генератора

4 пилообразного напряжения. Устройство также содержит генератор 9 импульсов и блок 10 управления генератором пилообразного напряжения, один вход которого подключен к выходу генератора 9 импульсов, второй вход подключен к выходу фотопреоб 5 разователя б, выход соединен с управляющим входом генератора 4 пилооб,разного напряжения модулятора 2, оптический элемент 3 модулятора 2 выполнен в виде прозрачной плоскопараллельной пластины.

Схема двухлучевого йнтерферометра, 1 может быть, в частности, представлена оптической схемой модифициро ванного интерферометра Жамена, состоящего из лазера 11, светоделительной пластины 12 и оборотной призмы 13.

Автоматическое интерференционное устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления атмосферы функционирует следующим образом.

Луч лазера 11 падает на плоскопараллельное зеркало 12 интерферометра. Жамена, имеющее значительную

55 толщину. Отражаясь от передней (полупрозрачной) и задней (посеребренной) поверхностей, он разделяется на два когерентных луча. Пройдя атмосферную трассу длиной L, оба луча попадают на оборотную и;изму 13, а затем возвращаются на зеркало 12. .Здесь они,отражаются от РазныХ поверхностей, но меняются местами, так что каждый луч один раз отражается от посеребренной поверхности ,65 и один раэ от полупрозрачной. В

1068782 итоге интенсивности оказываются равными, и в плоскости анализа, куда лучи попадают после второго отражения от зеркала 12, наблюдается интерференционная картина в виде полос равного наклона. Узкая щель 7 ориентируется в перпендикулярном. направлении по отношению к полосам интерференционной картины.

Измерение разности фаэ а между двумя световыми лучами осуществляется путем определения целой N® u дробной д частей интерференционной полосы в фиксируемом сдвиге интерФеренционной картины в плоскости анализа. В данном устройстве измерения величины сдвига интерференцион- ной картины осуществляется методом интерференциОнной модуляции. Реализация этого метода предполагает использование в оптической схеме интерферометра Жамена 1 интерференционного модулятора 2, с помощью которого осуществляется периодичес.кое изменение оптической разности хода между двумя световыми лучами по линейному закону. В качестве оптического элемента модулятора 2 в данном случае предлагается использовать п юзрачную плоскопараллелвную ,пластину 3, которая устанавливается на пути распространения одного из световых пучков и может свободно поворачиваться с изменением угла наклона плоскости пластины к направлению распространения пучка. Поворот пластины 3 осуществляется с помощью пьезопривода 5, который преобразует сигнал пилообразного напряжения, поступающий с выхода генератора 4 пилообразного. напряжения модулятора 3, в изменение угла наклона пластины к направлению распространения светового пучка.

При линейном характере изменения оптической разности хода (применение пилообразного сигнала напряжения развертки) интерференционные полосы в плоскости анализа будут равномерно смещаться в направлении, совпадающем с направлением ориентации узкой щели 7, и на вход фотопреобразователя 6 будет поступать переменный световой поток, наложенный на постоянную фоновую составляющую. Сигнал с выхода Фотопреобраэователя 6 поступает на информационный вход фазометра 8. На опорный вход фазометра 8 поступает сигнал с выхода генератора

4 пилообразного напряжения модулятора 2. Определение дробной части интерференционной полосы Д в сдвиге .интерференционной картины осуществляется путем измерения временного интервала между началом развертки и первым переходом через средний уровень в сигнале на выходе фотопреобразователя 6. Определение целых интерференционных полос в сдвиге интерференционной картины осуществляется по методу "трех зон".

Затем в фаэометре 8 определяется магнитное значение разности фаэ

5 йф =2к(П «3) и по рассчитанным в течение каждого периода развертки значениям М ; рассчитывается вели чина дисперсии флуктуации фазы ААЯ >

Сас > ф где Ю вЂ” число измерений у.

Данная величина структурной характеристики показателя преломления атмосферы вЂ” С расчитывается по соотношению

20 ф„ где СвЂ”

25 расстояние между световыми пучками, исходный диаметр светового пучка, длина волны света, 2,91 при Е>)1/Д

1,46 при а ф

Сигнал с выхода фотопреобраэователя 6 поступает на первый вход блока 10 управления генератором 4 пило образ ного н anðÿæåния, на второй

35 вход которого поступает сигнал с выхода генератора 9 импульсов ° Блок

10 управления генератором 4 пилообразного напряжения предназначается для управления амплитудой сигнала

40 интерференционной развертки. С этой целью сигнал управления с выхода блока 10 управления подается на управляющий вход генератора 4 пилообразного напряжения. Последее поз-.

45 воляет разворачивать за один период развертки ровно целое число периодов интерференции, что исключает появление дополнительной постоянной составляющей в сигнале Фототока на информационном. входе фаэометра 8.

Последнее позволяет реализовать точность измерения дробной части интерференционной полосы порядка

0,01-0,001 полосы (по сравнению с

0,05-0,1 полосы для известного устройства), а достижение подобных, точностных уровней измерения д позволяет соответственно повысить на порядок точность определения L n по сравнению с известным устройством и

60 довести ее до уровня 10 см З.

Процесс подстройки амплитуды генератора 4 пилообразного напряжения осуществляется следующим образом.

Блок 10 управления осуществляет выделение разности между периодом

1068782

Составитель A. Чурбаков

Редактор P. Цицика Техред A.Áàáèíåö, Корректор О. Билак

Заказ 11452/37 Тираж 827 .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент" r. Ужгород, ул, Проектная, 4 сигнала, имеющем место на выходе фотопреобраэователя б и целым числом периодов генератора 9 импульсов, храктериэующимся высоко стабильным периодом следования импульсов. На основании полученного результата формируется управляющий сигнал, поступающий на управляющий вход генератора 10 пилообразного напряжения.

Предлагаемое устройство позволяет на порядок повысить точность измерения структурной характеристики показат ля преломления атмосферы и довести ее до 10 см" З . В свою

5 очередь повышение точности измерения позволяет расширить динамический диапазон измерений С „и осуществлять определение атмосферных параметров в условиях слабой турбулентности атмосферы.