Способ определения времени распространения оптических колебаний

 

Использование: в лазерных информационно-измерительных системах для измерения расстояния до удаленных объектов и определения физических величин, влияющих на время распространения лазерного излучения. Сущность изобретения: способ определения времени распространения оптических колебаний заключается в генерировании оптических колебаний двух частот, разделение каждого из колебаний на информационное и опорное, направлении информационных колебаний одной частоты на контролируемый объект, совмещении отраженных от объекта колебаний с информационными колебаниями другой частоты до образования интерференционной картины, преобразовании биений интенсивности интерференционной картины в электрическое напряжение разностной частоты оптических колебаний, выделении опорного напряжения разностной частоты оптических колебаний после измерения разности фаз информационного и опорного напряжений, изменении разности фаз исходных оптических колебаний до получения величины, превышающей первоначальную разность фаз на величину, кратную порогу чувствительности фазометра, измерении соответствующего измененной разности фаз нового значения разностной частоты оптических колебаний и определении времени распространения оптических колебаний по измеренным данным. 1 ил.

Изобретение относится к лазерным информационно-измерительным системам с использованием оптических немодулированных излучений близких частот со сравнением фаз электрических сигналов частоты биений оптических колебаний и может быть использовано для измерения расстояния до удаленных объектов, скорости распространения оптических колебаний в различных средах, а также определения различных физических величин (давления, температуры и т.д.), влияющих на время распространения лазерного излучения.

Известен способ определения времени распространения оптического излучения, заключающийся в разделении оптических колебаний на информационное и опорное, из которых информационные колебания отражаются от контролируемого объекта или пропускаются через исследуемую среду, смещении частоты опорных колебаний электрическим сигналом, совмещении отраженных от объекта или прошедших исследуемую среду информационных колебаний с опорными до образования интерференционной картины, преобразовании биений интенсивности интерференционной картины в электрическое напряжение разностной частоты и измерении фазы выделенного напряжения, по которой судят о времени распространения.

Известен также способ определения времени распространения оптического излучения, включающий разделение излучения на информационный и опорный пучки, направление информационного пучка на исследуемый объект, совмещение информационного и опорного пучков, внесение дополнительной разности хода, изменяющейся по периодическому закону, и определение времени распространения по результатам измерения переменной составляющей интенсивности сигнала в интерференционной картине.

Недостатком этих способов является неоднозначность определения времени распространения излучения, если разность фаз интерферируемых колебаний превышает 2π.

Наиболее близким к изобретению является способ определения скорости распространения оптических колебаний, заключающийся в том, что оптические колебания разделяют на информационные и опорные, направляют информационные колебания на контролируемый объект или пропускают через исследуемую среду, совмещают отраженные от объекта или прошедшие среду информационные колебания с опорными до образования интерференционной картины, преобразуют интенсивность интерференционной полосы в выбранной точке интерференционной картины в электрическое напряжение с помощью фотоприемника, перемещают дифференциальный фотоприемник относительно интерференционных полос влево или вправо до достижения ближайшего нулевого значения его выходного напряжения, сдвигают частоту оптических колебаний на величину F, при которой выходное напряжение дифференциального фотоприемника U₁ будет удовлетворять условию δU < U₁ < 10δU, где δU порог чувствительности интерферометра, измеряют выходное напряжение фотоприемника U₁, дополнительно задерживают опорные колебания до достижения прежнего значения выходного напряжения фотоприемника, изменяют направление сдвига оптических колебаний на противоположное и измеряют выходное напряжение дифференциального фотоприемника U₂, исключают дополнительную задержку опорных колебаний, измеряют выходное напряжение фотоприемника U₃, а время распространения оптических колебаний τопределяют по формуле τ · + τ_o где τ_о время распространения опорных колебаний.

Однако способ-прототип, позволяя исключить неоднозначность в определении времени распространения колебаний, характеризуется невысокой точностью измерения, обусловленной необходимостью измерения интенсивности интерференционных полос, а также сложностью реализации, связанной с необходимостью механического перемещения элементов интерферометра и большим числом промежуточных измерений интенсивностей интерференционных полос для вычисления времени распространения оптических колебаний.

Технический результат изобретения повышение точности измерений и упрощение реализации способа.

Для этого в способе определения времени распространения оптических колебаний, заключающемся в том, что генерируют два исходных оптических колебания с частотами ν₁ и ν₂ и начальными фазами ϕ₁ и ϕ₂соответственно, разделяют каждое из колебаний на информационное и опорное, направляют информационное колебание частоты ν₁ на контролируемый объект, совмещают информационные колебания, полученные при взаимодействии с объектом, с информационными колебаниями частоты ν₂до образования интерференционной картины, преобразуют биения интенсивности интерференционной картины в электрическое напряжение, совмещают опорные колебания исходных частот оптических колебаний ν₁ и ν₂, выделяют опорное напряжение разностной частоты и измеряют разность фаз Δϕ₁ информационного и опорного напряжений, в соответствии с изобретением после измерения разности фаз Δϕ₁ измеряют разностную частоту Δν₁ исходных оптических колебаний, изменяют разность фаз исходных оптических колебаний Δϕ₂ в пределах 0 ≅Δϕ₂ ≅360^о, при этом Δϕ₂- Δϕ₁ N˙K, где К величина порога чувствительности фазометра; N целое число, измеряют соответствующее Δϕ₂ новое значение разностной частоты Δν₂оптических колебаний, а время распространения оптических колебаний τ определяют из соотношения τ На чертеже представлена функциональная схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит однотипные первый и второй лазерные диоды 1 и 2, причем второй лазерный диод 2 помещен в термошкаф 3 с прозрачным окном, светоделительные кубики 4 и 5, контролируемый объект 6, первую щелевую диафрагму 7 и первый приемник 8 излучения, зеркальную грань 9 на кубике 4, вторую диафрагму 10 и второй приемник 11 излучения, фильтры нижних частот (ФНЧ) 12 и 13, фазометр 14 и частотомер 15, причем выходы первого 8 и второго 11 приемников излучения через соответственно ФНЧ 12 и 13 подключены к входам фазометра 14, а вход частотомера 15 соединен с выходом второго приемника 11 излучения.

Излучение диода 2 направляют на контролируемый объект 6 и с помощью светоделительных кубиков 4 и 5 совмещают в плоскости приемника 8 с излучением диода 1. С помощью этих кубиков исходные излучения диодов 1 и 2 и зеркальной грани 9 кубика 4 совмещаются в плоскости приемника 11. Биения интенсивности интерферируемых колебаний на выходе приемников 8 и 11 выделяют в виде электрических напряжений ФНЧ 12 и 13, разность фаз напряжений частоты биений измеряется фазометром 14, а их частоты частотомером 15.

Способ определения времени распространения оптических колебаний реализуется следующим образом.

В качестве источников оптического излучения с двумя близкими частотами используют два однотипных лазерных диода 1 и 2, один из которых (2) помещают в термошкаф 3 с регулируемой температурой. При включенном термошкафе 3, когда оба диода имеют одинаковую температуру Θ, они генерируют оптические излучения близких частот ν₁ и ν₂ с начальными фазами ϕ₁ и ϕ₂ соответственно. Из этих излучений светоделительными кубиками 4 и 5 формируют информационные и опорные колебания. Информационные колебания диода 2 с частотой ν₂ направляют на контролируемый объект 6. Отраженные колебания (показаны пунктиром) с временем распространения τ кубиком 5 направляются через щелевую диафрагму 7 на приемник 8 оптического излучения. Одновременно с этим информационные колебания диода 1 через кубики 4 и 5 также направляются на приемник 8, где они совмещаются с отраженными информационными колебаниями диода 2.

В результате совмещения информационных колебаний с частотами ν₁ и ν₂ в плоскости приемника 8 излучения образуется интерференционная картина, интенсивность интерференционных полос которой периодически изменяется с частотой биений Δν₁ ν₁- ν₂. Аналогичная интерференционная картина образуется при совмещении опорных колебаний диода 2 с опорными колебаниями диода 1, отраженными от зеркальной грани 9 кубика 4 в плоскости приемника 11 излучения.

Фазовый сдвиг информационных колебаний на частоте ν₂ определяется временем распространения τ и может быть представлен в виде Φ₁ 2πν₂τ= 2π(n + P₁) (1) где n целое число фазовых циклов в 360^о (2 π); Р₁ дробная часть полного фазового цикла.

Биения интенсивности интерферирующих колебаний от диодов 1 и 2 преобразуют в информационное электрическое напряжение приемником 8, а приемником 11 в опорное электрическое напряжение. Информационное напряжение на выходе ФНЧ 12 имеет вид U₁ U_m1 cos (2πΔν₁t + Φ₁ + ϕ₁ ϕ₂) U_m1 cos (2 πΔν₁t + 2 πν₂τ+ ϕ₁- ϕ₂) (2) а опорное напряжение на выходе ФНЧ 13 равно U₂ U_m2 cos (2πΔν₁t + ϕ₁ ϕ₂) (3) Измеряют разность фаз информационного и опорного напряжений разностной частоты фазометром 14, а значение разностной частоты Δν₁ частотомером 15. Поскольку фазометр измеряет разность фаз только в пределах одного цикла (360^о), то измеренную разность фаз из выражения (1) можно представить как Δϕ₁=2πP₁=2π(ν₂τ-n). (4)
Нагревают диод 2 в термошкафу 3, плавно повышая температуру на величину ΔΘ. В результате нагрева диода 2 его частота излучения меняется до значения ν₂^l. В результате этого фазовый сдвиг отраженных информационных колебаний изменяется до значения
Φ₂=2πν₂^lτ, (5) а частота биений становится равной
Δν₂=ν₁-ν₂. (6)
Нагрев диода 2 на ΔΘ осуществляют до получения новой разности фаз, которая превышает первоначальную разность фаз на величину, кратную порогу чувствительности фазометра 14, но в пределах его шкалы (360^о)
N˙K<Φ₂-Φ₁<2π, (7) где К порог чувствительности фазометра;
N коэффициент, учитывающий уровень помех и шумов на входе приемников излучения.

При выполнении условия (7) фазовый сдвиг (5) можно представить в виде
Φ₂= 2πν₂^lτ= 2π(n+P₂), (8) где Р₂ дробная часть последнего фазового цикла при прежнем значении n.

Фазометром 14 измеряют измененное значение разности фаз
Δϕ₂=2πP₂=2π(ν₂^lτ-n). (9)
Одновременно частотомером 15 измеряют значение новой разностной частоты Δν₂ оптических колебаний.

По показаниям фазометра (4) и (9) определяют разность:
Δϕ₂-Δϕ₁=2π(ν₁^l-ν₂)τ, (10) откуда время распространения
τ (11)
Учитывая, что разность частот оптических колебаний
ν₂^l-ν₂=Δν₁-Δν₂, окончательно получаем
τ (12) где Δϕ₁ и Δϕ₂, Δν₁ и Δν₂ измеряемые параметры электрических напряжений.

Из выражения (12) следует, что результат определения времени распространения τ не зависит от целого числа фазовых циклов n, а следовательно, от соотношения пути, проходимого информационными колебаниями, и длин волн λ₁ и λ₂ оптических излучений. При этом исключается необходимость перемещения приемников излучения относительно интерференционных полос и дополнительной задержки оптических колебаний.

Число измерений сокращается до двух.

Использование изобретения позволяет определять время распространения оптических колебаний в широком диапазоне значений (10^-6- 10^-9 с) без сложных аппаратурных затрат и с достаточно высокой точностью. Погрешность измерения в основном определяется погрешностями измерения разности фаз и частоты электрических напряжений, которые в диапазоне частот от 10 МГц до 1 ГГц не превышают относительных значений 10^-4 10^-3.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ, заключающийся в том, что генерируют два исходных оптических колебания с частотами ν₁ и ν₂ и начальными фазами ϕ₁ и ϕ₂ соответственно, разделяют каждое из колебаний на информационное и опорное, направляют информационное колебание частоты ν₁ на контролируемый объект, совмещают информационные колебания, полученные при взаимодействии с объектом, с информационными колебаниями частоты ν₂ до образования интерференционной картины, преобразуют биения интенсивности интерференционной картины в электрическое напряжение, совмещают опорные колебания исходных частот оптических колебаний ν₁ и ν₂ выделяют опорное напряжение разностной частоты и измеряют разность фаз Δϕ₁ информационного и опорного напряжений, отличающийся тем, что после измерения разности фаз Δϕ₁ измеряют разностную частоту Δν₁ исходных оптических колебаний, изменяют разность фаз исходных оптических колебаний Δϕ₂ в пределах 0 ≅ Δϕ₂≅ 360°, при этом
Δϕ₂-Δϕ₁= N·K,
где K величина порога чувствительности фазометра;
N целое число,
измеряют соответствующее Δϕ₂ новое значение разностной частоты Δν₂ оптических колебаний, а время распространения оптических колебаний τ определяют из соотношения

РИСУНКИ

Рисунок 1