Способ измерения расстояния на основе поляризационных свойств фотонного эха

Способ измерения расстояния на основе поляризационных свойств фотонного эха

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расстояния между крупногабаритными объектами инженерных сооружений, например радиотелескопов и радиотехнических комплексов с антеннами различных форм и размеров, авиапромышленного и судостроительного оборудования, оптических трактов лазерных систем, линейных и кольцевых ускорителей.

Известен принцип импульсного метода измерения расстояний, основанный на определении времени пробега импульса от передатчика до отражателя и обратно, пропорционального двойному измеряемому расстоянию (Камен X. Электронные способы измерений в геодезии. М.: «Недра», 1982, с.104-105).

Недостатком принципа является невысокая точность измерения расстояний вследствие применения электронного способа регистрации временного интервала между опорным и зондирующим импульсами.

Известно устройство, являющееся примером реализации способа регистрации расстояния на основе изменения направления вектора линейной поляризации света под воздействием внешнего модулирующего СВЧ-поля (Гюнашян К.С., Папаян В.К. и др. Высокоточный электрооптический дальномер ДВСД-1200. - Геодезия и картография, 1973, №9, с.14-18).

Недостатком способа является низкое быстродействие и невозможность определения числа целых длин волн СВЧ-модуляции, укладывающихся в измеряемом расстоянии, а регистрация лишь домера (часть длины волны СВЧ-модуляции процесса вращения поляризации света, соответствующая последнему незавершенному периоду модуляции) участка измеряемого расстояния, соответствующего не целому значению длины волны СВЧ-модуляции.

Задачей настоящего изобретения является повышение скорости и точности измерения расстояния. Это обеспечивается путем использования поляризационных свойств сигнала первичного или стимулированного фотонного эха (ФЭ), основанных на эффекте нефарадеевского поворота его вектора поляризации [И.В.Евсеев, В.М.Ермаченко, В.В.Самарцев. Деполяризующие столкновения в нелинейной электродинамике. - М.: Наука, 1992. С.28-39, 75-78]. Измерение расстояния на основе поляризационных свойств ФЭ (фотонного эха) заключается в том, что направляется опорный лазерный импульс и зондирующий лазерный импульс, прошедший через измеряемое расстояние, в резонансную среду, в которой формируется сигнал ФЭ под воздействием на нее последовательности опорного и зондирующего лазерных импульсов. Затем определяют угол поворота вектора поляризации ФЭ, возникающей при воздействии на резонансную среду продольного магнитного поля. Этот угол зависит от временного интервала между возбуждающими опорным и зондирующим импульсами, от напряженности приложенного магнитного поля, от типа задействованного квантового перехода и не зависит от длины пути, проходимого в резонансной среде возбуждающими лазерными импульсами и сигналом ФЭ. При этом резонансная среда обладает оптической фазовой памятью, содержащей информацию о величине угла поворота вектора поляризации ФЭ и, соответственно, об определяемом временном интервале между опорным и возбуждающим импульсами. По величине этого регистрируемого угла определяют временной интервал, разделяющий опорный и зондирующий импульсы. Далее производят пересчет временного интервала в величину измеряемого расстояния.

Имеющийся при этом фарадеевский поворот вектора поляризации оптических импульсов на 3-4 порядка меньше нефарадеевского поворота вектора поляризации эхо-сигнала. Чувствительность регистратора не позволяет зарегистрировать фарадеевский поворот вектора поляризации оптических импульсов, но обеспечивает регистрацию нефарадеевского поворота вектора поляризации сигнала ФЭ.

Предлагаемый способ измерения расстояний на основе нефарадеевского поворота вектора поляризации ФЭ поясняется чертежом, на котором изображена схема измерения дистанции между объектами 1 и 2. Имеется источник последовательности разнесенных во времени лазерных импульсов 1 с задаваемыми интенсивностями и временными параметрами (длительностями опорного и зондирующего импульсов и временного интервала между ними), поляризационная призма Глана 2, призма Корню 18, уголковый отражатель 7 на опоре, устанавливаемой на объекте 2, поворотное зеркало 17, кювета с резонансной средой 15, установленная внутри соленоида 4, диафрагмы 9, 19, 20, выходная поляризационная призма Глана 8, служащая для разложения эхо-сигнала на две компоненты с ортогонально ориентированными направлениями векторов линейной поляризации, первый и второй каналы регистрации составляющих компонент эхо-сигнала, состоящих из фоторегистраторов 10, 11 и преобразователей 12, 13, процессора 14.

Измерение расстояния производится следующим образом. Источник лазерных импульсов 1 вырабатывает импульс света, который поступает на поляризационную призму Глана 2, при этом часть излучения (опорный лазерный импульс 6) с вертикальным направлением вектора поляризации проходит в прямом направлении через кювету 15 с резонансной средой, находящуюся в продольном магнитном поле соленоида 4, создаваемом током от программноуправляемого источника тока 3, а другая часть (зондирующий лазерный импульс 5) поступает на поворотное зеркало 17 и, отразившись от него, выходит через диафрагму 19 на измеряемую дистанцию, отражается от уголкового отражателя 7 и, пройдя измеряемую дистанцию в обратном направлении, через диафрагму 20 поступает в кювету 15 под углом α к направлению распространения в кювете опорного импульса. Диафрагмы 19 и 20 обеспечивают попадание зондирующего импульса в центры рабочих плоскостей уголкового отражателя 7, что достигается поворотом оптического эхо-дальномера (ОЭД) относительно оси его крепления на основании и относительно уголкового отражателя до совпадения центра пришедшего с дистанции зондирующего импульса с центром диафрагмы 20. Под воздействием опорного и зондирующего импульсов в резонансной среде формируется сигнал ФЭ, распространяющийся под углом α к направлению распространения зондирующего импульса и под углом 2α к направлению распространения опорного импульса. При этом сигнал ФЭ под воздействием продольного однородного магнитного поля испытывает поворот вектора поляризации на угол ϕ и после прохождения диафрагмы 9, которая не пропускает возбуждающие импульсы, проходя выходную поляризационную призму Глана 8, разлагается на две составляющие с ортогонально ориентированными направлениями векторов линейной поляризации (вертикальным и горизонтальным направлениями векторов линейной поляризации). Каждая из компонент эхо-сигнала регистрируется фоторегистраторами 10 и 11, сигналы с которых поступают на соответствующие преобразователи информации 12 и 13, а затем подаются на два входа процессора 14. В процессоре по соотношению цифровых кодов, соответствующих интенсивностям компонент эхо-сигнала, определяется угол

где I_э(х) - составляющая эхо-сигнала с горизонтальным направлением вектора поляризации, k - поправочный коэффициент, показывающий, во сколько раз отличаются показания измеряемой величины в первом канале по отношению к показаниям во втором канале

где k_ФЭУ1 - коэффициент усиления фоторегистратора 10 (фотоэлектронного умножителя) в первом канале, k_ФЭУ2 - коэффициент усиления фоторегистратора 11 (фотоэлектронного умножителя) во втором канале. Зависимость интенсивности сигнала ФЭ от угла α между возбуждающими импульсами не влияет на величину ***, т.к. коэффициент экспоненциального затухания ФЭ с ростом угла α одинаково влияет на величины, находящиеся в числителе и знаменателе формулы (1). Затем из известного в научной литературе [Алексеев А.И., Евсеев И.В. Фотон-эхо в газе при наличии магнитного поля. - ЖЭТФ. - 1969. - Т.57. - №11. - С.1735-1744] выражения

где ε_a,b=μ₀g_a,bH, μ₀ - ядерный магнетон, Н - напряженность продольного магнитного поля, g_a,b - гиромагнитное отношение основного а и возбужденного b уровней соответственно, определяется временной интервал между опорным и зондирующим импульсами

Далее временной интервал τ₁₂ с учетом показателя преломления света n в среде распространения зондирующего импульса, определяемого путем измерения температуры, влажности и давления на измеряемом расстоянии, пересчитывается в величину проходимого им расстояния за вычетом расстояния между призмой Глана 2 точкой формирования ФЭ:

где с - скорость света.

Величина измеряемой дистанции будет равна разности всего пути, проходимого зондирующим импульсом, и пути, проходимого им внутри ОЭД (ΔS):

где ΔS - инструментальная поправка ОЭД.

На инструментальную поправку AS ОЭД влияют 3 фактора: разность длины пути, проходимого опорным импульсом от призмы Глана 2 до резонансной среды, и длины пути, проходимого зондирующим импульсом от входа ОЭД (от диафрагмы 20) до резонансной среды; длина пути зондирующего импульса на участке между призмой Глана 2 и диафрагмой 19; расстояние между центрами рабочих поверхностей уголкового отражателя. При этом нулевая метка ОЭД находится на плоскости расположения диафрагм 19 и 20. Инструментальная поправка определяется экспериментальным путем во время метрологической поверки ОЭД.

Способ измерения расстояния на основе поляризационных свойств ФЭ (фотонного эха), отличающийся тем, что направляют опорный лазерный импульс и зондирующий лазерный импульс, прошедший через измеряемое расстояние, в резонансную среду, формируют в резонансной среде сигнал ФЭ под воздействием на нее последовательности опорного и зондирующего лазерных импульсов, регистрируют угол поворота вектора поляризации ФЭ, возникающий при воздействии на резонансную среду продольного магнитного поля, который зависит от временного интервала между возбуждающими опорным и зондирующим импульсами, от напряженности приложенного магнитного поля, от типа задействованного квантового перехода и не зависит от длины пути, проходимого в резонансной среде возбуждающими лазерными импульсами и сигналом ФЭ, обладающей оптической фазовой памятью, содержащей информацию о величине угла поворота вектора поляризации ФЭ и, соответственно, об определяемом временном интервале между опорным и возбуждающим импульсами, и по величине этого регистрируемого угла определяют временной интервал, разделяющий опорный и зондирующий импульсы, далее производят пересчет временного интервала в величину измеряемого расстояния.