Способ измерения пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВ ВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОБЪЕКТА, заключающийся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта двумерными плоскими пучками проникающего излучения, оси которых лежат в одной плоскости и пересекшотся в одной точке последовательно перемножают прошедшие через объект волновые фронты зондирующего излучения и произ водят регистрацию полученного волнового фронта, от л и ч а ю щи йс я тем, что, с целью обеспечения возможности измерения в реальном времени в плоскости, перпендикулярной плоскости зондирования, перед перемножением волновых фронтов для каждого направления зондирования изменяют масштаб волнового фронта по оси, параллельной плоскости зондирования, а веаичину изменения масштаба К выбирают из соотношений sin -I h+ К n -I О) Ky. sinif «H ; где К 1; N 1, 2,...,N - 2; п N Фп -число ракурсов зондироваийя; г -угол зондирования.

„„SU „„107420? А

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

В 9/021; G 03 Н 1/16

4 (S1) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3475192/18-25 (22) 23.07.82 (46) 23.04.85. Бюл. У 15 (72) Г. Н. Вишняков и Г, Г. Левин (53) 772.99(088.8) (56) 1. Голография. Методы и аппаратура. Под,ред, Гинзбурга В. И., Степанова Б. N.,M., Сов. радио, 1974, с. 213.

2-; Авторское свидетельство СССР по заявке Р 3243633/18-25, :кл. С 03 Н 1/16, 1981 (прототип).

1 (54)(57) СПОСОБ ИЗЧЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТ-.

ВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ОБЬЕКТА, заключающийся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта двумерными плоскими. пучками проникающего излучения, оси которых лежат в одной плоскости и пересекаются в одной точке последовательно перемножают прошедшие через объект волновые фронты зондирующего излучения и произ. водят регистрацию полученного волнового фронта, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности измерения в реальном времени в плоскости, перпендикулярной плоскости зондирования, перед перемножением волновых фронтов для каждого направления зондирования изменяют масштаб волнового фронта по оси, параллельной плоскости зондирования, а величину изменения масштаба К выбирают из соотношений

-3

81п (Р

1 И+1 О .а п в .-f

Ку = эхп 1 я.q ) где К = 1 и а = 1, 2..., К - 2;

Б - число ракурсов зондирования; — угол зондирования.

1074207

Изобретение относится к области голографической интерферометрии.

Известен способ измерения прост" ранственного распределения внутренних неоднородностей фазового объек- 5 та (1) „ заключающийся в том, что производят многоракурсное зондирование объекта лазерным излучением, для каждого направления зондирования за" писывают .интерферограммы объекта и по отклоненйю интерференционных полос судят об измеряемой величине.

Недостатком данного способа является невозможность получения искомого пространственного распределения 15 неоднородностей в реальном времени, так как затрачивается время на ввод в ЗВИ измеренных по отклонению интерференционных полос, данных об изме некии оптической длины пути внутри 20 объекта, расчета на ЗВИ, вывода и отображения полученного решения.

Наиболее близким по технической сути к предложенному является способ измерения пространственного распреде-25 ления внутренних неоднородностей объ" екта jZ) заключающийся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта двумерными плоскими пучками проникающего излучения, Зр оси которых лежат в одной плоскости и пересекаются в одной точке последовательно перемножают прошедшйе через объект волновые фронты зондирующего излучения и производят регистрацию полученного волнового фронта.

Зтот способ используется для измерения распределения внутренних неоднородностей в поперечном сечении объекта, образованном пересечением плос-4> костей распространения зондирующих одномерных пучков. Недостатком данного способа является. то, что он не может обеспечить измерение в реальном. времени распределение внутренних 45 неоднородностей в продольном сечении объекта. которое перпендикулярно плоскости зондирующего излучения. !

В ряде технических задаЧ, например при измерении температурного распределения в пламени различного рода горелок., форсунок, концентрации электронной плотности в плазменном разряде, возникающем между электродами и т,д., для исследователей важна информация о распределении внутренних неоднородностей в продольном сечении объекта, т.е. в сечении, проходящем через устройства, инициирующие данные процессы (горелки, форсунки и .т,д.).

По способу, взятому sa прототип, измерить это распределение в продольной плоскости в реальном времени невозможно, так как в этом случае плоскость зондирующих одномерных пучков и все оптические элементы должны лежать в продольной плоскости, что тех» нически невозможно реализовать из-эа присутствия в этой плоскости устройств. производящих исследуемые процессы.

Цель изобретения " обеспечение возможности измерения в реальном времени пространственного распределения внутренних неоднородностей объекта в плоскости, перпендикулярной плоскости зондирования..

Цель достигается тем, что в способе измерения пространственного рас" пределения внутренних неоднородностей объекта, заключающемся в том, что производят многоракурсное зондирование измеряемого объекта двумерными плоскими пучками проникающего излучения, оси которых лежат в одной плоскости и пересекаются в одной точке, последовательно перемножают прошедшие через объект волновые фронты зондирую" щего излучения и производят регистрацию полученного волнового фронта, перед перемножением волновых фронтов для каждого направления зондирования. изменяют масштаб волнового фронта по оси1 параллельной плоскости зондирования, а.величину изменения масш таба К выбирают Hs соотношений

81Q

К

sin „

-1 „1 = sinvN11

-(K1, 1 где и 1 2 ..., 0 - 2

Б - число ракурсов зондирования;

<1/„- угол зондирования

В предлагаемом способе измеряемый объект зондируют плоским двумерным пучком проникающего (например, оптического) излучения, ось которого Х перпендикулярна, например, оси Е к составляет угол Q с осью X. Систе-. ма координат (Х, 7, Z) привязана к объекту. Пусть система координат

I / (Х, У, Е ) связана с зондирующим пучком, причем ось Х совпадает е

)074207

А,(К„у, z) = A,exp)i P, (К, у, z}J (3) который далее направляют под ракурсом на измеряемый объект. Опера" цию изменения масштаба ВФ вдоль одной оси 7 можно выполнить двумя разнофокуснымн цилиндрическими линзами или зеркалами, а также используя в качестве зондирующего слабо расходящийся по одной оси пучок. При повторном прохождении ВФ (3 ) через объект его перемножают с волновым фронтом

А (у, z), несущим информацию о второй проекции P ((уy », z}. После двух раэноракурсных проходов формируется .

ВФ.

А6(К6» у » г) Аг(у » z)

-" А» ехрi (У, (K „у, z) +

+ P (у, г)) Перед третьим перемножением изменяют масштаб ВФ (4) на величину К>

М 66У где - направление третьего ракурса зондирования, т.е. получают ВФ

АФ(К К>у ь г) А2 ®2 у ь z) в (5) х у, z

После третьего зондирования ВФ (5) под направлением р> выполняют третье. неремнпжение и формируется ВФ. П 6 а.

К Ц (6) А,(у, г) A ехр (» т1 (У г)) в»1»в (я по осв» в K .—, рав, гав. 55

611ъ У1

3 осью распространения пучка, а .ось

Z параллельна оси 2 объекта и Е

=Z, т.е. штрихов анная, система координат (Х, Т » Z ) повернута вдоль

I .оси Z ** Z по отношению к (Х, 7, Z), .5

Таким образом, в этих координатах плоский двумерный зондирующий пучок .света можно описать выражением

А„(у, z) const А„. Пусть функцйя1(хь у, г) описывает пространст- ta венное распределение внутренних неоднородностей объекта и пусть f (х, у, z) вне шара радиуса р1». Для поглощающих (амплитудных) объектов

f(х,у,z) пропорциональна коэффициен- 15 .ту поглощения м (х, у, z) для определенной длины волны зондирующего излучения 1, т.е. f(x, у, z)

= р c4(x» y, z). Для фазовых объектов f(x, у, z} = " p (п(х, у г)-пД ро где п(х,. у, z) и и„ - показатель преломления, соответственно, исследуемого объекта и окружающей среды.

Без учета эффектов дифракции и рефракции прошедший через объект под ракурсом („ зондирука ий ВФ можно описать выражениями (у, z) Аоехрз. (Ф„(У» г)) (g) зо

А (y., z) = Аоехр(-9„(y г))» соответственно, для фазовых и амнлитудных.объектов. Ý5

Интегральная выходная характеристика Р„ (у, z)» называемая проекцией объекта.в направлении („ связана с искомцм распределением f(х, у, z) преобразованием Радона 46

tx(Ц е) 6(х6 tl6(g xxox

Рассмотрим далее последовательность45 операций, выполняемых над ВФ (1). Для определенности рассмотрим фазовый: об" объект и пусть первый ракурс зондирования направлен под углом (к. оси Х.

После первого зондирования изменяют 50 масштаб прошедшего волнового фронта.»

А((К,К,У ° z) А,(К у, г) А (у,г ) у которого перед четвертым перемножением изменяют масштаб в -1 з1»»М»

Sin 66»3 раэ и т,д. Вся зта последовательность операций выполняется для sc46x yraos зондирования Q(ь ф ), ° ° ° ь ф .„,< „перекрывающих (равномерно или неравномерно) диапазон углов от 0 до

180 ». Пусть g P О, а g 180 .

Закон изменения масштаба в любом и-ом ракурсе для а * t 2, ., М-2 следующий.;

Sin V»6

Для Н-t и И"го ракурса коэффициенты изменения масштаба определяются со" отношениями (- направление 2-го ракурса, т.е. формируют ВФ

1 -»

KN6 з пали- ь

1074207

В результате N-ракурсного прохода с

l изменением масштаба ВФ по оси Y пе- ред и-ым ракурсом по закону (б) и (7) получим на выходе ВФ А(у, z), описываемый выражением

= A „„° ° K„° К y, z)>r„

° А (К ...".К у, к)х (8) 10

Подставляя в (8) значения козффициентон (б), легко получить

А(у «z) — A1 (s111$< у «е)". * «

А(81пЯ«« у«z)хоsа»

1 ! l ,. «А„„(з 4 х А„(у, z) = А ехр i(s (sing„ х, у «z))

Как следует из алгоритма обратных проекций, при решении интегрального уравнения Радона (2) в пренебрежении операцией свертки решение уравнения (2) можно записать в виде

М

f(x «у «z) 7 Ф (х соя С „+() 1 п«1

+ у з1п(,, z) Из (10} следует, что распределение внутренних неоднородностей в плоскоl сти Х = 0 равно

f(0 у, z) — —, Q Р„ " nz>

l х у, z), (sin Cy" х (11) Из сопоставления (11) и (9) следует, что

A(y ; z) А exp i (N f(0, у, z)J (12)

Аналогично для амплитудных объектов

A(y z) = А ехр(- N-f(0, у, z)) (13) о45

Ось у направлена под углом ц 1 = 180 . к аси Х и перпендикулярна оси N-ro ракурса, Для визуализации ВФ (13) необходимо использовать регистраторы с логарифмическим откликом на входной

50 сигнал

Для визуализации фазового ВФ (12) кожно, например, использовать технику голографической интерферометрии. Тогда при записи, например, 2"х экспо" зиционнай интерферограммы в паласах

55 бесконечной ширины интенсивность восстановленного поля будет описываться выражением

Z(y «z) = 2 ll + cos(Nf (0, у z)}) -

2 jl + cos Лйро (п(0, у, z) -и ) (14)

Из (14) следует, что искомая информация о распределении показателя прелом-! ления в сечении Х = 0 (продольном) заключена в виде системы интерференционных полос, которая одновременно является картой линий равных значений показателя преломления, причем при переходе от одной линии к другой значение показателя преломления изменяется на величину . Отметим, ро «« что в предлагаемом способе восста" навливается двумерное сечение 3-х мерного распределения внутренних неоднородностей в плоскости (Y, Е), которая по отношению к оси Z (пусть

Z — большая ось объекта ) является продольной и направлена перпендикулярно направлению последнего N-го ракурса. В способе, взятом за прототип, восстанавливалось сечение (Х, Y), которое по отношению к оси

Z является поперечным, Для восста" новления по предлагаемому способу любой другой продольной плоскости (Х = const необходима сместить объект или точку пересечения осей зондирующих пучков на расстояние

Х = const вдоль оси N-го зондирующего пучка. Набор таких продольных плоскостей дает полную информацию о распределении внутренних.неоднородностей объекта. Таким образом, предлагаемый способ позволяет в реальном времени измерять распре" деление оптических неоднородностей в продольном сечении объекта« use. перпендикулярном плоскости зондирующих пучков. Кроме того, преимуществом предлагаемого способа является то, чта ои значительно проще способа, взятого за прототип, за счет исключения операции нелинейной голографической регистрации световых потоков. Это особенно важно для более точных измерений пространственнога распределения сложных объектов, когда необходимо большое (N 3) число ракурсов зондирования, так как в этом случае в способе, взятом за.прототип, должна быть реализована регистрация с коэффициен-. там контрастности больше 6, Схема устройства-, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

1074207

Для определенности рассмотрим трехракурсную схему для исследова ния фазового объекта. На чертеже ось Z перпендикулярна плсскости рисунка. 5

Устройство содержит лазер 1, све" тоделитель 2., двумерные расширители

3 и 4 пучка, объект 5, плоские зер. кала 6"9, системы 10 и 11 из двух разнофокусных.цилиндрических линз, «О устройство 12 компенсации разности оптической длины пути регистратор

13.

Световое излучение от лазера 1. попав на светоделитель 2, разделяется«5 на две части,, одна из которых проходит систему формирования опорного канала (устройство 12, расширитель 4 пучка) и попадает на регистратор 13.

Другая часть излучения проходит рас- 20 ширитель 3 пучка, формирующий плос/ .кий двумерный световой пучок А (у, z) = const, и направляется на исследуемый объект 5 под углом у« к оси

Х (Ф« — угол между осью зондирующе- 25 го пучка Х и осью Х). Прошедшее излучение А «(у, г) зеркалом 6 направляют на-систему 10, состоящую иэ двух цилиндрических линз, образующие которых параллельны оси, а их фокус- ЗО .ные расстояния f u fq подобраны так, что f /f« = К«. Прошедшее через систе1 му 10 и измененное по оси Y излучение А,(К,, у, z) зеркалом 7 вновь направляют под углом « к оси Х на З5 исследуемый объект 5. Пройдя объект

5, излучение А «(K«, у, z). А (у, z) зеркалом 8 отклоняют на систему 11 состоящую также иэ двух цилиндрических линз с фокусными расстояниями 4р

f1lf4, удовлетворяющих соотношению

f J f К . Измененное по масштабу

4 3 Я, вдоль оси Y в,Кг раз излучение

А «(К, К у, z) А ° (К у, z) вновь на" правляют на объект 5 под углом ( к оси Х и прошедшее излучение

А,(К,К у, z) A.(Кгу, г) Аз(У, z)

«К2 падает на регистратор 13. Если 1-я экспозиция регистратора 13 производится без объекта 5, то в его при" сутствии на регистраторе 13 будет формироваться интерферограмма продольного сечения объекта (у, г), пендикулярного направлению 3-ro ракурса. Описанное выше устройство, реализующее предлагаемый способ, было использовано для измерения распределения показателя преломления в продольном сечении пламени свечи. Ось Z была вертикальной осью, плоскость (Х, Y) — горизонтальньп . Углы зонди,/ рования (угль«между осями Х и Y ) были выбраны следуюшими: «, = 120 о о «)1= 60, «, = 0 . Следовательно, коэффициенты изменения масштаба равны .

sin «,) sin 60

К о

sin g sin 120о, г

-Гз

= sing = sin 60 = —, К = 1, т.е. только перед третьим просвечиванием необходимо изменить по оси Y масштаб ВФ в К =«3/2 раз. Первая экспозиция регистратора 13 производилась без объекта. После введения объекта фотоаппаратом регистрировались интерферограммы продольного сечения ( пламени свечи (Х, Z) в реальном времени. На интерферограммах различных продольных плоскостей пламени (Х = О, Z), (Х = 0,5 см, Е), (Х = 1 см, Z), полученных последовательным смещением свечи в направлеI нии оси Y,,видно уменьшение (раэЪ режение; числа интерференционных полос при выделении периферийных плоскостей пламени свечи, что соответствует реальному уменьшению тем" пературы на краях пламени. Таким образом, по сравнению с известными способами предложенный способ позволяет измерять в реальном времени про/ странственное распределение внутрен» них неоднородностей в продольном, т.е. перпендикулярном плоскости, образованной осями зондирующих пучков, сечении объекта. Изобретение может найти применение в аэро- и гидродинамике, диагностике плазмы и других быстропротекающих процессов, для неразрушающего контроля качества изготовления стекловолокна и т.д.! 074207

Составитель В. Анджалов

Редактор Л. Письман Техред М.Гергель Корректор В. Гирняк

Заказ 2786/2 Тираж 651 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

ЮМ

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