Баллистический гравиметр
Владельцы патента RU 2554596:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (RU)
Изобретение относится к гравиметрии и может быть использовано для измерений абсолютных значений ускорения свободного падения. Баллистический гравиметр содержит вакуумную камеру, устройство сбрасывания пробного тела, источник излучения, фотоприёмник, устройство синхронизации и обработки сигнала. На пробном теле закреплён оптический элемент, который выполнен в виде дифракционной решётки. Штрихи указанной решётки расположены горизонтально. На пути лучей света, дифрагирующих на решётке при работе устройства, установлен оптический мультиплексор, выход которого подключён к фотоприёмнику. Технический результат заключается в увеличения временной разрешающей способности, уменьшения габаритов устройства и упрощения алгоритма обработки сигналов. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к гравиметрии и может быть использовано для измерений абсолютных значений ускорения свободного падения.
Известен баллистический гравиметр (патент РФ №2193786, опубл. 27.11.2002), содержащий вакуумную камеру с катапультой для подбрасывания пробной массы в виде уголкового оптического отражателя; лазерный интерферометр перемещений, состоящий из He-Ne лазера, делительного оптического элемента, референтного (опорного) уголкового оптического отражателя, установленного в центре тяжести горизонтального маятника с пружинной подвеской, шарнирной опорой и демпфером, образующим виброзащитную систему. Интерференционный сигнал гравиметра обрабатывается электронным устройством для вычисления ускорения свободного падения по известным формулам. Недостатком такого баллистического гравиметра является низкая точность измерений, обусловленная зависимостью степени ослабления сейсмических колебаний от частотного спектра и периода собственных колебаний маятника.
Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению и принятым за прототип является баллистический гравиметр ГАБЛ (Грушинский Н.П. «Основы гравиметрии», изд. «Наука», М., 1983, стр.251-253). Этот гравиметр состоит из вакуумной камеры, в верхней части которой находится устройство сбрасывания пробного тела, на котором закреплен уголковый оптический отражатель. Падение пробного тела регистрируется лазерным двухлучевым интерферометром, снабженным частотно-стабилизированным лазером и системой коллимации направляемого в интерферометр луча света. Выходной сигнал интерферометра фиксируется фотоприемником и обрабатывается электронно-счетным устройством. Недостатки данного гравиметра - большая, свыше метра, длина траектории падения пробного тела и сравнительно большие ошибки измерений, обусловленные случайными отклонениями траектории падения от строгой вертикали. Ввиду большой длины траектории падения, временная разрешающая способность данного гравиметра при отсчете выборочных данных исчисляется сотнями миллисекунд, а период отсчетов составляет единицы-десятки секунд, что делает невозможным его применение при анализе высокочастотных (в диапазоне частот свыше десятка Гц) изменений ускорения свободного падения.
Задачей изобретения является увеличение временной разрешающей способности баллистического гравиметра, упрощение алгоритма обработки сигналов и уменьшение габаритов устройства.
Техническим результатом, за счет которого решается поставленная задача при реализации предлагаемого изобретения, является значительное уменьшение длины траектории падения пробного тела и, как следствие, уменьшение габаритных размеров устройства и времени отдельного измерения величины ускорения свободного падения, а также использование в расчетах информации непосредственно о скорости, а не о координатах пробного тела.
Технический результат достигается тем, что баллистический гравиметр, содержащий вакуумную камеру, устройство сбрасывания пробного тела, оптический элемент, закрепленный на пробном теле, источник монохроматического светового излучения, систему коллимации, фотоприемник, электронное устройство синхронизации и обработки сигналов, отличается тем, что оптический элемент выполнен в виде дифракционной решетки, штрихи которой расположены горизонтально, а на пути лучей света, дифрагирующих при работе устройства на решетке в разных порядках дифракции, установлен оптический мультиплексор, выход которого подключен к фотоприемнику.
Сущность изобретения показана на фигурах. На фиг.1 представлена принципиальная оптическая схема устройства. Фиг.2 иллюстрирует работу гравиметра при реализации оптического мультиплексора на основе зеркал. На фиг.3 показана возможность реализации оптического мультиплексора на основе граданов и одномодового волоконно-оптического объединителя каналов типа 2×1.
Устройство состоит (фиг.1) из вакуумной камеры (на фигуре не показана), устройства 1 сбрасывания пробного тела 2, оптического элемента в виде дифракционной решетки 3, закрепленной на пробном теле 2, источника 4 квазимонохроматического оптического излучения, системы коллимации 5, фотоприемника 6, электронного устройства 7 синхронизации и обработки сигналов, оптического мультиплексора 8, диафрагмы 9.
Устройство работает следующим образом. Закрепленная на пробном теле 2 дифракционная решетка 3, штрихи которой расположены горизонтально, падая, в течение времени Δt получает приращение скорости ΔV, равное произведению величины g ускорения свободного падения на время Δt(ΔV=g·Δt). Сдвиг спектральной частоты света, дифрагирующего в (+1)-м и (-1)-м порядках дифракции относительно частоты света в нулевом порядке дифракции, соответственно, равен (+Δf) и (-Δf), где Δf=ΔV/d, d - период решетки. Указанный сдвиг частоты обусловлен изменением во времени фазы световой волны, дифрагирующей на подвижной дифракционной решетке и аналогичен эффекту Доплера или частотному сдвигу излучения, дифрагирующего на бегущей акустической волне в акустооптических устройствах смещения частоты сигнала (см., например, Ю.К. Ребрин «Управление оптическим лучом в пространстве», Изд. «Сов. Радио», М., 1977 г., стр.147-150). Оптический мультиплексор 8 обеспечивает наложение и интерференцию взаимно-когерентных пучков света различной частоты, например, нулевого и (+1)-го порядков или (+1)-го и (-1)-го порядков, в результате чего фотоприемник 6 фиксирует низкочастотные (по сравнению со спектральной частотой света) биения на частоте Δf (первый вышеуказанный случай) либо 2Δf (второй случай). Возникновение таких сигналов биений можно пояснить как следствие движения интерференционных полос в плоскости диафрагмы 9, при этом фотоприемник 6 последовательно регистрирует сигналы, соответствующие яркой либо темной полосе интерференционной картины. Расчет абсолютной величины g ускорения свободного падения (например, в первом случае) выполняется в аналогово-цифровом электронном устройстве, подключенном к фотоприемнику, по данным изменения частоты Δf частоты биений в течение времени Δt, при этом g=(Δf/Δt)·d.
На фиг.2 показан пример наложения и интерференции пучков света нулевого и (+1)-ого порядков дифракции. В этом случае оптический мультиплексор 8 состоит из зеркала 10 и полупрозрачного зеркала 11.
На фиг.3 показан вариант исполнения устройства, в котором источник 4 квазимонохроматического излучения выполнен в виде полупроводникового лазера, система коллимации светового луча 5 представляет собой микрообъектив либо градан, оптический мультиплексор 8 состоит из граданов 12 и 13, предназначенных для ввода дифрагированных в разных порядках пучков света в волоконные (например, одномодовые) световоды, и волоконно-оптического объединителя каналов 14 типа 2×1.
Благодаря указанным особенностям, в отличие от прототипа достигается работоспособность устройства при очень малых, до десятков - сотен мкм, длинах траектории падения пробного тела. Вследствие этого, время отдельного измерения величины ускорения свободного падения составляет несколько единиц-десятков мс, а полное число циклов сбрасывания пробного тела при обработке массива регистрируемых сигналов может достигать нескольких сотен в минуту. Благодаря малой длине траектории падения, практически исключаются проблемы, связанные со значительными отклонениями траектории падения от вертикали и проблемы, вызванные деформациями крупногабаритных механических узлов гравиметра, и достигается высокая компактность (следовательно, механическая и температурная стабильность) всего устройства. Алгоритм расчета величины ускорения свободного падения основан на данных временного изменения частоты биений (пропорциональных изменению скорости падения пробного тела), не требует ведения точных значений координат траектории падения и связанных с этим ошибок измерений, и значительно проще, чем у прототипа.
1. Баллистический гравиметр, содержащий вакуумную камеру, устройство сбрасывания пробного тела, оптический элемент, закрепленный на пробном теле, источник монохроматического светового излучения, систему коллимации, фотоприемник, электронное устройство синхронизации и обработки сигналов, отличающийся тем, что оптический элемент выполнен в виде дифракционной решетки, штрихи которой расположены горизонтально, а на пути лучей света, дифрагирующих при работе устройства на решетке в разных порядках дифракции, установлен оптический мультиплексор, выход которого подключен к фотоприемнику.
2. Баллистический гравиметр по п.1, отличающийся тем, что оптический мультиплексор выполнен в виде волоконно-оптического объединителя каналов, на вход которого при работе устройства подается излучение, дифрагирующее на решетке в (+1)-м и (-1)-м порядках дифракции.
