Способ измерения угловой атмосферной рефракции и устройство для его осуществления

 

Использование: измерение искажений траектории распространения оптических волновых пучков рефракционного происхождения , в частности в локации, геодезии, геофизике, астрономии. Сущность изобретения: измеряют разности углов прихода волн с различными длинами при совмещении оптической оси звездного интерферометра с направлением на источник белого излучения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл. со С

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 21/45

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4774818/25 (22) 02.01.90 (46) 15.08.92. Бюл. ¹ 30 (71) Нижегородский инженерно-строительный институт им. В.П.Чкалова (72) В,В.Виноградов и В.П.Лебедев (56) Прилепин М,Т,. Голубев А.Н. Итоги науки и техники, Геодезия и аэросъемка, т,15, 1979, с.8-29.

Авторское свидетельство СССР

N 792102, кл. G 01 N 21/41, 1978, Авторское свидетельство СССР

¹ 1138714, кл. G 01 N 21/41, 1981.

Авторское свидетельство СССР

N 1213396, кл, G 01 N 21/45, 1984, Изобретение относится к атмосферной оптике и может быть использовано для йзмерения искажений траектории распространения оптических волновых пучков рефракционного происхождения, в частности в локации, геодезии, геофизике, астрономии, Известен дисперсионный способ измерения угловой рефракции, при котором измеряют спектральную разность рефракции (угловую дисперсию) для двух выбранных длин волн спектра с формированием интерференционной картины и ее анализом.

Устройство для реализации дисперсионного способа измерения угловой рефракции включает приемно-передающие оптоэлектронные блоки, фотоприемники, схемы обработки и анализа сигналов.

Недостатком способа-аналога и устройства для его реализации является низкая точность измерений угловой рефракции, достигающая 2 — 5 в т о время, как требуется точность в десятые доли угловой секунды.

„„.Ы,, 1755124 А1

2 (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ АТМОСФЕРНОЙ РЕФРАКЦИИ И УСТРОЙСТ- .

В0 ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЙ (57) Использование: измерение искажений траектории распространения ойтических волновых пучков рефракционного происхождения, в частности в локации, tåáäåçèè; геофизике, астрономии. Сущность изобретения: измеряют разности углов прихода волн с различными длинами при совмещении оптической оси звездного интерферо-. метра с направлением на йсточник белого излучения. 2 с.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

Этот недостаток обусловлен несовершенством способов регистрации интерференционной картины и устройств для их реализации, обладающих низкой чувствительностью к угловым изменениям.

К способу-аналогу можно также отнести способ измерения атмосферной рефракции, включающий пропускание излучения через два приемных канала, формирование интерференционной картины, измерение спектральной дисперсии атмосферы для двух оптических излучений с ðàçëè÷íûìè длинами волн, анализ разности хода интерферирующих лучей, фиксацию интерференционных полос на нуль ийдикатора, причем фиксацию совпадений интерференционных полос производят в противофазе.

Недостатком этого способа является низкая точность yi ëáâîé дисперсий Ь Я и, как следствие, низкая точность определения угла рефракции, рассчитываемого по соотношению гД = кД h, гД, Ig, = 50 — 60

1755124 спектральный коэффициент для выбранных длин волн, что обусловлено низкой точностью определения доли порядка интерференции, а также слабой зависимостью оптической разности хода от угла прихода волны, Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности является способ измерения угловой атмосферной рефракции, согласно которому излучение белого источника пропускают через два приемных канала с расстоянием В между ними. модулируют раэность хода пучков. сводят пучки, прошедшие каналы, в один пучок излучения, одновременно модулируют излучение вспомогательного источника монохроматического излучения, прошедшего двуплечевой интерферометр Майкельсона, измеряют амплитуду сигналов измерительного и опорного иСточников излучения, по которым судят о рефракции, Недостатком способа-прототипа явля- ется узкий диапазон измеряемых параметров. Этот недостаток обусловлен тем обстоятельством, что способ-прототип обеспечивает измерение рефракции лишь в том случае, если известно истинное нап равление на источник излучения, безрефракци-! онное.

8 практических же случаях необходимо как раз иметь информацию о рефракции без знания истинного направления на источник.

Известен угловой рефрактометр. содержащий два лазера с различными длинами волн и расположенные последовательно коллиматор, приемную оптическую систему, элемейт поворота изображения. три поляризатора, двулучепреломляющую пластину. фотоприемник, схему регистрации, элемент разделения излучения, два компенсатора и два регулятора напряжения, схему сравнения напряжений, Недостатком устройства-аналога является низкая точность Йзмерения угловой рефрак ции, что обусловлено слабой зависимостью разности хода интерферируемых лучей, формируемых двулучепреломляющей пластиной, от угла прихода и низкой точностью определения долей порядка интерференции.

Наиболее близкии по технической сущности к заявляемому является астрономический рефрактометр, содержащий измерительный интерферометр с колеблющимся зеркалом, механически связанным с пьеэокерамическим модулятором, соединенным со звуковым генератором и генератором постоянного напряжения, последовательно соединенные фотоприемник, синхронный детектор, второй вход которого соединен со звуковым генератором, регистрирующее устройство, опорный интерферометр с предметным и полупрозрачным зеркалами и последовательно соединенными фотоприемником, синхронным детектором и регистратором. при этом колеблющееся зеркало выполнено в виде отражающей поверхности диагональной грани треугольной призмы. установленной на пьеэокерамическом модуляторе, одна из боко10 вых граней призмы имеет отражающую .. поверхность, являющуюся предметным зеркалом опорного интерферометра, второй вход синхронного детектора опорного интерферометра подключен к выходу звукового генератора, а фотоприемник и полупрозрачное зеркало опорного интерферометра установ15 лены на одной оси с пьезокерамическим модулятором.

Недостатком устройства-прототипа яв20 ляется тот факт. что оно может быть использовано для измерения абсолютной рефракции лишь при известном истинном безрефракционном направлении на источник или же рефракции относительно услов25 ного направления, а также приращения рефракции во времени. Это обстоятельство сужает диапазон измеряемых параметров устройства-прототипа

Цель изобретения — расширение диапазона измеряемых параметров, 30

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения угловой атмосферной рефракции, включающем пропускание излучения через два приемных канала с рассто35 янием В между ними, модуляцию разности хода пучков, сведение пучков, прошедших каналы, в один пучок излучения, формирование электрического сигнала,. согласно заявляемому изобретению, разность хода

40 пучков модулируют по гармоническому закону в одном из приемных каналов, разлагают сигнал в частотный спектр и измеряют амплитуды гармоник, по которым определяют амплитуду модуляции, выделяют первую

45 и вторую гармоники сигнала для двух длин волн Л1 иЛг, а угол рефракции г находят по соотношению

r = кЛ В (arctg а — arctg.Ь j,(1) — 1 Л1 Л2

2л 2л

50 где

З (2 ) Ь (Л) и1, (2)

А (2 л Л-— ; ) l1 (Ll )

Js (2 таад-) Ь (Л )

0 (3)

"2 (2 > Л- ) l1 (Л2 )

К Л вЂ” спектральный коэффициент;

1755124 (1,2 (†) — функция Бесселя перво- редел ют по совпадению теоретических и измеренных значений функций Бесселя разго и второго порядков от аргумеЙ- личных порядков. Для реализации способ

U, а та(2л-- -); в устройство введен спектроделитель, раз5 деляющий принимаемое белое излучение

u — амплитуда модуляции: по длинам волн на отражение и пропуска1 1,2 k

11, 1,2 2 — амплитуды 1-Ой и 2-ой гар- ние no ABYM каналам, в кажДом иэ KQTOPblx установлен фотоприемник с выходами, подмоник для длин волн 11 и Аг . ключенными к спектроанализатору с двумя

Устройство для измерения угловой ат- 10 входами(каналами). мосферной рефракции, содержащее изме- Для уравнивания оптических длин плерительныйинтерферометрввидезвездного чей интерферометра при визировании на интерферометра Майкельсона с перенало- источник установлена плоскопараллельная женными пучками, пьезокерамический мо- пластина водном из каналов интерферометдулятор, звуковой генератор, генератор, 15 ра. Обработка сигналов и вычисления ведутгенератор постоянного напряженйя два ся спомощью мййи ЭВМ, подключенной к фотоприемника, соединенные с регистри- спектрОанализатору. рующимустройством, причем пьезокерами- Сущность заявляемых технических реческий модулятор механически соединен с шений поясняется чертежами. одним извнешнихзеркалзвездногоийтер- 20 На фиг.1 приведена оптическая схема ферометра и электрически — со звуковым звездного интерферометра Майкельсона генератором и генератором постоянного (ЗИМ) и диаграмма, поясняющая структуру напряжения, согласно заявляемому Йзобре- распределения ийтенсивности в ийтерферентению, оно снабжено спектроделителем, ус- ционной картине 1(5). Если источник находиттановленным на выходе звездного 25 ся подуглом ркосителескопа, то максимум интерферометра и плоскопараллельной картины смещен на . величину пластиной, установленной в одном из плеч д = В Sin р = В р, угловое расстояние интеРфеРометРа с возможностью поворота, -,, P Q — 1 количе регистрирующее устройство выполнено в между максимумами Ю = 4 В . количевиде двухканального спектроанализатора и 30 ство максим мов Йы /6„- 57. вычислительного устройства, при этом фо- На фиг,2 пРивеДена оптоэлектРоннаЯ топриемники установлен за спектродвли- схема заЯвлЯемого РефРактометРа, телем по ходу излучения- и параллельно На фиг,З результаты обработки приниподключены к спектроанализатору, выхо маемых сигналов на спектроаналиэаторе которого подключен к вычислительному ус- З5 . УстРойство (РефРактометР) содеРжит трой ству. две зрительные трубы в плечах ЗИМ; L1, Q, Сущность заявляемых технических Решений заключается в измерении разности полупрозрачное зеркало М4 (светоделиуглов прихода волн с различны и инами тель), спектРоДелитель F1, фильтР F2, фотопри совмещении оптической оси звездног ПРИЕМНИКИ Ф1 И Фг СПЕКтРОаНаЛИЗатОР Сг, интерферометра с направлением на источ- 40 мини ЭВМ МЭТ, пьезокеРамический модУб л зл ч. и лЯтоР Ifl, звУковой генеРатоР ЗН, генеРатоР

Угол прихода излучения определяется постоянного напряжения ГПН, плоскопакак Оптическая разность хода интерфер РаллельнУЮ пластинУ- компенсатоР К ирующих пучков д,г, деленная на базу интерферометра  — расстояние между ."5 свет падает на зеркало М1(М2), отражается входными люками оптических каналов. длл од У лом 90 и далее оДин из пУчков пРохоопределения же оптической разности хода дит через плоскопарайлельную пластину К и отражается от глухого зеркала Мз. Оба пучка гармоническому закону. ПосколькУ Регист- изл чение аз еля рируемый сигнал является полигармониче 50 излУчение РазделЯетсЯ по длинам волн ским, он содержит гармоники. кратные фИЛЬтРаМИ F1И Г2ИПОПаДаЕт НаСООтВЕтСт

Осно|но,-„модулирующей частоте и в то же ВУЮЩИЕ ФОТОУМНОЖИТЕЛИ Ф1 И Ф2. ЗЕРКаЛО

Мг укреплено Йа пьезбкбрамйческом эле т Я через функЦии мен е1П П и„

Бесселя аргументом которых является `а . Р ОДаче на ) П синУСОИДально2.7г 0 го напряжения зеркало осуществляет раметр Z = (— — ), связанный с ампли- . колебательные движения с амплитудой тудой модуляции или виброперемещени,, )А в зависимости от амплитуды на(О 2-0 5 зеркала интерферометра 11 Амплитудуцоп- пряжения управляемого с помощью ГПН

Компенсатор К установлен с возможностью

1755124 поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа в пределах 40 — 48 .

Покрытие зеркал M2M3M11 — внешнее, М4— внутреннее. Толщина М4 равна толщине компенсатора К. Фильтр F1 (спектроделитель) — интерференционный; отраженный от него свет по спектральному составу является дополнительным к прошедшему F1, фильтр Fz осуществляет добавочную коррекцию спектрального состава излучения, таким образом, чтобы на ФЭУ Ф1 и Фг падали потоки примерно одинаковой интейсивности с различными средними длинами волн. Оптическая схема реализует измерение угла прихода излучения на двух различных длинах волн, соответствующих средним длинам волн пропусканий фильтров F1 и (1 — F 1)Рг.

Заявляемый способ реализуют с помощью описанного устройства следующим образом, Визируют интерферометром на источник и пропускают его излучение через два приемных канала. формируют интерференционную картийу в плоскости фотоприемников путем поворота пластины-компенсатора К и зеркал интерферометра, Подают напряжение на модулятор I fl и по гармоническому закойу модулйруют оптическую разность хода интерферирующих лучей на обеих длинах волн. Сигнал одного йз каналов разлагают в спектр с помощью спектроанализатора С 2 и измеряют амплитуды нескольких гармоник, кратнЫх модулирующей частоте, включая основную, по которым определяют с помощью мини ЭВМ МЭ1 амплитудумодуляции(амплитуду виброперемещений зеркала Mz); После этого на обеих длинах волн выделяют 1-ю и

2-ю гармоники сигнала и определяют их отI1Л1 И Лг ношение и, а угол ре!

2 1 2 2 фракции находят по соотношению (1) с учетом (2).

Для упрощения вычислительной процедуры способа с помощью ГПН изменяют напряжение на пьеэокерамическом модуляторе I П, изменяя тем самым амплитуду модуляции до тех пор, пока не будут равны функции Бесселя первого и второго порядков I1 - Iz, что обеспечивается установкой предвычисленного напряжения Uo = (l1 Ь).

Значение спектрального коэффициента рассчитывается предварительного для выбранных длин волн известным путем.

На спектроанализаторе измеряют амплитуды гармоник сигнала, кратных основн ой частоте. В ы числ я ют н а ми ни-Э В М теоретические значения аргументов функций Бесселя Zn(ZI). И, кроме того, вычисляют значение Z<,при котором l1==l2, а по 2o рассчитывают амплитуду колебаний (модуляции) по соотношению

01,2 = 2У Л (4)

2. Л1,2

Реализация заявляемых технических решений.

Внешний вид устройства для осуществления способа приведен на фиг.4. Сигналы

10 с ФЭУ подавались на входы двухканального анализатора спектра 2034 фирмы Брюль и

Кьер. Результаты измерений приведены на фиг,3 и табл.1, а результаты расчета нормы

O(Z)

15 при котором 2=2 — в табл.2.

Амплитуда модуляции составила U =

0,462 мкм с погрешностью mu 0,03 мкм, Оценим влияние погрешности mu на точность угловых измерений. Для этого запишем (1) в виде

<=9<9 (Я

2 л до

Учитывая, что d 4+1(2)/dz

= — - Jp (2 ) + Jg — 1(2 ) а также соотноше2 ния 0 = 0-5 Л, Z = 2,65, п1 = 0,03 Л/2 (результаты измерений), получим из (5)

mg= 0,6562m =0,9 m z 0,9 2 л/Л п1и (6)

Одйовременно имеет место соотноше20

30 ние

Л г 2лд, 1 п Оо -- (1 +(9 - — у — ) mtt, т.е. m до=10 0,2 0,09 —.-18 10 (в) и на

-2 базе В = 6 10 м погрешность определения угла прихода составит(m д> /В) р = 3.10 1

«2 10 = 6 10 угл.с, а для спектральной разности m Лг6 -10 Г2 =8 10 угл,с. В этих условиях погрешность угла рефракции при

40 КЛ= 50 составит 0,4. Это значит, что на базе

0,3 м m«<0,1.

В то же время в способе и устройствахпрототипах даже при регистрации 0,0007 доли порядка интерференции точность onределения угла дисперсии составит лишь

0,02 — 0,03, т.е. заявляемые технические решения в 50-100 раз чувствительнее по углу по сравнению с прототипом

Измерение рефракции осуществлялось

50 на трассе длиной 6.16 км. Результаты измерений приведены в табл,3.

Значения отношений амплитуд гармоник l1/Iz определялись на спектроанализаторе, д1,2 — разности хода. рассчитанные на

55 мини ЭВМ, Лу-угол дисперсии, у (Л1 )— угол рефракции для зеленой части спектра, Формула изобретения

1, Способ измерения угловой атмосферной рефракции; включающий пропускание излучения через два приемных канала с рас1755124

35

Табл и ца 1

Таблица2

4,6

5,2 5,4 6,0

4,0

2,0

3,0

4,2

1,60 1,25 0,649 0,545 0,442 0,465 0,561 0,722 . 1,02 стоянием В между ними, модуляцию разно- U — амплитуда модуляции; сти хода пучков, сведение пучков, прошед- 1,z 4 и 01,2 Л вЂ” амплитуда первой ших каналы, в один пучок излучения;: и второй гармоникдлядлинволн k и Л2 формирование электрического сигнала, о тл и ч а ю щ и йая тем, что, с целью расши- 5 2. Устройство для измерения угловой рения диапазона измерения, разность хода атмосферной рефракции, содержащее иэпучков модулируют по гармоническому за- . Мерительный интерферометр в виде звездкону в одном иэ приемных каналов, рвала- ного интерферометра Майкельсона с гают электрический сигнал в частотный, переналоженными пучками, пьеэокерамичеспектр и измеряют амплитуды гармоник. по 10 ский модулятор, звуковой генератор, генеракоторым определяют амплитуду модуляции, . тор постоя нного найряжения, два выделяют первую и вторую гармоники сиг- фотоприемника, соединейные с регистрирунала для двух длин волн Л1 и Л, а угол ющим устройством; причем пьезокерамичерефракции г находят по соотношению ский модулятор механически соединен:с — 1 „ .— — Л2 (1) 15 однимизвнешнихзеркалзвеэдногоинтерферометра и электрически — со звуковым генератором и генератором постоянного где напряжения. о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измерения, а—

20 оно снабжено спектроделителем. установленU ), (Л, ) :: . ным на выходе звездного интерферометра, и плоскопараллельной пластиной, установлен(2 д ) (Л ) .: . ной В ОднОм из плеч интерферометра с возЬ Х2 можностью поворота, регистрирующее

Л(2л -) (Л) 25 устройство выполнено в виде двухканального спектроанализатора и вйчислительного устК Л вЂ” спектральный коэффициент; .. ройства, при этом фотоприемники установлен я — функции Бесселя первого ны аа спектроделителеы по ходу иалучения и где .. параллельно подключены к спектроанализатои второго порядков от аргумента (2п ) 30 qy. выход которого подключен к аычислителаному устройству.

1755124

Дата, -1у,, Ip., мкм время 1 < I I<

Таблица 3

27,77

35,81

«0,3652

-0,3652

О, 069

О, 089.

0,237

0,306

0,300

0,298

0,297

-0,4522 0,236

-0,4743 О 235

-0,4854 0,236

-0,3653

-0,3786

«0,3652

0,064

0,063

0,061

0,220

0,216

0,210

25,76

25,35

24,54

17,09 89

18.45

19.35

18.09.89

20.02

20.15

20.28

-0,4523 0,236 0,305

-0,2010 0,236 . 0,325 мкм ф, мкм и BI" (Q,) 1755124

1755124

6 ноюер гармсчяни

I 2

Фиг. 5

Составитель В.Виноградов

Техред М,Моргентал Корректор Н;Тупица

Редактор M.Товтин

Производственно-издательский комбинат" Патент",r.ужгород,уд. Гагарина 101

Заказ 2886 Тираж Подписное

В НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКИТ СССР

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