Способ измерения вариаций показателя преломления

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВАРИАЦИЙ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, включающий распределение излучения с длиной волны Л в основной и дополнительный каналы , разделение излучения в каждом канале на опорный и измерительный потоки излучения, воздействие этих потоков на исследуемую среду, сведение из вместе-и регистрацию по полученной интерференционной картине дробных порядков интерференции и 2 соответственно в основном и дополTMiiJi-r г 1 нительном каналах, отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности измерений, воздействие потоков излучения на исследуемую среду осуществляют в каналах с оптически действующей длиной i-, для основного канала, причем , .(/

1 А.СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

К9) О ) 4(51) G 01 N 21 45 причем

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3605375/24-25 (22) 15.06.83 (46) 23.06.85, Бюл. К - 23 (72) В.П.Кирьянов и В.А.Ханов (71) Новосибирский государственный университет им.Ленинского комсомола и Институт автоматики и электрометрии

Сибирского отделения АН СССР (53) 535.24(088.8) (56) 1. Кирьянов В.П., Кокшаров M.À., Ханов В,А. Об одном способе построения цифрового рефрактометра.-В сб.:

Системы сбора и первичной обработки измерительной информации, Новоси- .бирск, НГУ, 1973.

2. "Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана", 1979, т. 15, М - 8, с. 855-864 (прототип). (54) (57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВАРИАЦИЙ

ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, включающий распределение излучения с длиной волны

71 в основной и дополнительный каналы, разделение излучения в каждом канале на опорный и измерительный потоки излучения, воздействие этих потоков на исследуемую среду, сведение из вместе и регистрацию по полученной интерференционной картине дробных порядков интерференции „ и 2 соответственно в основном и. дополнительном каналах, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повьппения помехозащищенности измерений, воздействие потоков излучения на исследуемую среду осуществляют в каналах с оптически действующей длиной для основного канала, причем а< Ю„. ((2 / dn ììêñ где hn „„с — максимальные вариации показателя преломления, и с оптически действующей длиной 2 для дополнительного канала, v(2 w (d"Y/27) (Л(2)д"и, где d 7 — - точность измерения дробной части порядка интерференции в дополнительном канале;

d" — требуемая точность измерения вариации показателя преломления;

L — максимальная оптически действующая длина дополнительного канала, а вариации показателя преломления определяют из соотношения (Р

Дп="21У Е1+ Е2 1 и где 1с2—

2Е2

7163276

Изобретение относится к технической физике и предназначено для измерений физических свойств прозрачных сред, в частности для интерферированных измерений показателя 5 (коэффициента)преломления морской воды, и может найти применение в океанологии при автоматизированном определении параметров морской воды, выражаемых через ее показатель преломления (соленость, плотность и др.)

Известен способ регистрации изменений (вариаций) показателя преломления прозрачных сред путем регистрации приращений целых и дробныхчастей 75 порядков интерференции при изменении коэффициентов преломления исследуемой среды с помощью двухлучевого интерферометра (типа Иайкельсона, Жамена и др.), у которого оптически действу- 20 ющая длина расположена в исследуемой среде 7 7 ).

Недостатком этог о свособа является невозможность одновременной реализации высокой точности и досто- 25 верности результатов измерений при измерении в турбулентных слоях.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения вариаций показателя 50 преломления, включающий распределение излучения с длиной волны rl в основной и дополнительный каналы, разделение излучения в каждом канале на опорный и измерительный потоки излучения, воздействие этих потоков на исследуемую среду, сведение их вместе и регистрацию по полученной интерференционной картине дробных порядков интерференции Е„ и Е соот- 40 ветственно в основном и дополнительном каналах. При этом способе также регистрируют целые части М„ и Й, порядков интерференции соответственно в основном и дополнительном каналах.

О величине вариаций показателя преломления судят по разности результатов измерения целых и дробных порядков интерференции в основном и дополнительном каналах (2).

Недостатком известного способа измерения вариации показателя преломления и устройства, реализующего этот способ, является невозможность одновременной реализации высокой точности и достоверности результатов измерений из-за наличия и воде турбулентных споев, в KoTophlx прписхлдит пропадание сигналов. Наличие турбулентных слоев,. вызванных, Например, подводными течениями, градиентами температур, солености и другими причинами, из-за изменений, волновых фронтов интерферирующих пучков приводит к флуктуациям углов прихода или пространственной расфазировке лучей на случайных неоднородностях среды, имеющих размеры порядка размеров первой зоны Френеля. При этом размеры неоднородностей совпадают с размерами наименьших вихревых образований, возникающих в воде в соответствии с ее гидродинамическими свойствами.

Преломление лучей на этих неоднородностях приводит к искажению фронтов пучков и отклонению от прямолинейного направления распространения. Флуктуации параметров пучков вызывают изменения величины выходных сигналов интерферометров вплоть до полного их исчезновения, когда интерферирующие пучки либо полностью разошлись, либо когда в поле интерференции возникает более чем одна интерференционная полоса. После выхода из турбулентного слоя сигналы интерферометров восстанавливаются. Однако однозначное соответствие между изменением коэффициента преломления среды и изменением фазы интерферирующих пучков имеет место только в пределах одного порядка интерференции, если же приращение фазы, соответствующее разности значений коэффициента преломления воды на границах турбулентного слоя, больше одного порядка интерференции, то однозначное соответствие отсутствует, так как в турбулентном слое нарушена непрерывность отслеживания целого числа порядков интерференции. Это приводит к значительным ошибкам в результатах измерений, а также к недейственности способа в турбулентных слоях.

Цель изобретения — повышение помехозащищенности измерений вариаций показателя преломления в естественных условиях, т.е. обеспечение возможности продолжения измерений с высокой чувствительностью после прохождения турбулентного слоя.

Поставленная цель достигается тем, что при способе измерения вариаций показателя преломления, включающем распределение излучения с длиной волны Л в основной и допол1163216 нительный каналы, разделение излучения в каждом канале на опорный и измерительный потоки излучения, воздействие этих потоков на исследуемую среду, сведение их вместе 5 и регистрацию по полученной информационной картине дробных порядков интерференции Я и Й соответствен2 но в основноМ и дополнительном каналах, воздействие потоков излучения 1О на исследуемую среду осуществляют в каналах с оптически действующей длиной „ для основного канала, причем

o(„ Р/2)/Л "м.-. (" где hII о,„ — максимальные вариации показателя преломления, и с оптически действующей 20 . длиной 12 для дополнительного канала, причем где d"× вЂ” точность измерения дробной части порядка интерференции в дополнительном канале;

d n — требуемая точность измерения вариаций показателя прелом- 30 ления;

L — максимальная оптически действующая длина дополнительного канала, а вариации показателя преломления определяют по формуле где 1< = 1 l г

На чертеже изображена функциональная схема устройства, реализующая предложенный способ измерения.

Устройство 1 регистрации через кабель-трос 2 получают из водонепроницаемой гондолы 3 информацию от измерителей дробных частей порядков интерференции 4 и 5 интерферометров 6 (основного канала) и 7 (дополнительного канала). Излучение лазера 8 50 распределяется светоделителем 9 в основной и дополнительный интерферометры (каналы) . Светоделители 10 и 11 последних перераспределяют входящие в них пучки в опорный и измерительные .5 плечи. Для того, чтобы оптически действующие длины интерферометров и приходились только на воду и в них не входили участки с воздушными промежутками и иллюминатором 12, отражатели 13 и 14 опорных плеч и интерферометров 6 и 7 вынесены эа иллюминатор и закреплены так же, как и отражатели 15 и 16 измерительных плеч.

Разность хода. лучей между отражателями 13 и 15 и. светоделителем 10 образует оптически действующую длину „ основного интерферометра, а разность хода лучей между отражателями 14 и 16 и светоделителем 11 оптически действующую длину р допол2 нительного интерферометра. Приращение фазы л интерференционного сигнала основного интерферометра связано с изменением показателя преломления морской воды ьп соотношением а Е=гтЕ„ /(Л/2) СЗ) Для того, чтобы во всем диапазоне изменений показателя преломления морской воды dn приращение фазы дЧ „ не превышало одного 1торядка (4 „ = 2л), оптически действующую на длину Г„ основного интерферометра выбирают из условия (1).

Например, для дл„„„ -- 10 Р„ должна быть не более 0,32-10 и.

Точность измерения вариаций показателя преломления d"„ основным интерферометром ограничивается точностью измерения приращения дробной части порядка интерференции составляет 10-, что для современных требований в океанологии недостаточно.

Поэтому в предлагаемом способе требуемую точность измерения вариаций показателя преломления морской воды

dÚ реализуют с помощью дополнительного интерферометра, оптически дейст-

Bующую длину 12 которого выбирают из условия (2). Для требуемой точности измерений d"n = 10 и для d"V =27 10 з оптически действующая длина 1lz равна

32 .10 м.

Во всем диапазоне вариаций показа" теля преломления gn„, „ 10 приращение фазы д дополнительного интер2 ферометра составляет 100 целых порядков интерференции.

При вариациях показателя преломления а приращения фазы ЬУ2 интерференционного сигнала дополнительного интерферометра имеют вид

1163216

Ч2 =2,(Л(-=Г(,(Л("7 Р,(Л 2 "1Р

= >2+ <

aV,/22=2,(Л(2)дп=(Г,(2I2)snj=K,, (5) Так как dn можно выразить в виде 20 1 Ь/2 )

1 (6) то 4 /2Л =(Р2/ „j E, + Е .

Соотношение (6) используется для восстановления показаний дополнительного интерферометра после прохождения турбулентных слоев.

Повышение помехозащищенности достигается за счет восстановления информации о числе целых порядков интерференции, зарегистрированных в

5 где f FZ (Д/2) n) — целочисленная часть, равная целому числу порядков интерференции; (((Л(2!дп — дробная часть атно-!О шения, равная дробной части порядка интерференции.

При этом изменения фазы д(12 интер1 ференционного сигнала на выходе ос- 15 новного интерферометра составят допоЛнительном канале (интерферометре) ° После восстановления сигналов в интерферометре восстанавливается информация только об Й2 . Поэтому для повышения помехозащищенности измерений используется явление самовосстановления информации в пределах одного интерференционного порядка.

Для этого используют два канала: основной и дополнительный. В первом осуществляют измерения грубо, но обеспечивают однозначное соответствие д9 и йрл во всем диапазоне измерения дп, во втором реализуют заданную точность измерений параметра .л(.

В результате после прохождения слоев, в которых происходит пропадание сигналов, возобновляется процедура измерений до с требуемой точностью.

Таким образом, использование изобретения позволяет с высокой точностью проводить измерения вариаций показателя преломления, например, морской воды (на основании которого можно вычислить вариации плотности воды) в естественных условиях, когда присутствуют различного рода турбулентные слои; По сравнению с известным способом предлагаемый имеет значительно большую точность измерения, меньшее временное разрешение и позволяет уменьшить пространственное разрешение до 1 см.

1163216

Составитель С. Голубев

Техред О.Неце Корректор М. Демчик

Редактор И. Николайчук

Подписное

Тираж 897

Заказ 4097/42

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1130359 Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4