Способ воспроизведения единицы длины в лазерных дальномерах на основе интерферометра майкельсона

Изобретение относится к области измерения больших расстояний, в том числе с помощью источников когерентного лазерного излучения, и может быть использовано для точного измерения расстояния в точном машиностроении, а также для поверки и калибровки высокоточных средств измерения. Технический результат состоит в разработке способа воспроизведения единицы длины при разработке эталонов больших длин. Для этого излучение лазера через коллиматор направляется в неравноплечий интерферометр Майкельсона с длинным измерительным и опорным коротким плечом. В качестве источника излучения может быть использован двухмодовый или фемтосекундный лазер. Пространственный период интерференции задается соответственно межмодовой частотой двухмодового лазера, либо частотой повторений импульсов фемтосекундного лазера. В опорном плече интерферометра устанавливается устройство модуляции (модулятор), которое осуществляет сканирование некоторой области сигнала интерферирующих пучков за счет изменения разности хода волн интерферометра. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерения больших расстояний, в том числе с помощью источников когерентного лазерного излучения, и может быть использовано для точного измерения расстояния в точном машиностроении, а также для поверки и калибровки высокоточных средств измерения.

Известны способы построения приборов измерения длины, в которых не осуществляется точная настройка на экстремумы интерференции, а производится счет интерференционных полос [1], они имеют высокую разрешающую способность.

К недостаткам этого известного способа следует отнести сложность аппаратуры счета интерференционных полос, ограничение скорости перемещения измерительного отражателя и требование высокоточных линейных направляющих для перемещения измерительного отражателя.

Также известны способы построения устройств измерения длины, которые основаны на измерении разности фаз промодулированных излучаемых и принимаемых колебаний [1], [2]. Эти способы не требуют наличия линейных направляющих, т.к. производится измерение абсолютной дистанции до отдельно стоящего измерительного отражателя. К недостаткам данного способа следует отнести невысокую точность измерения.

По способу воспроизведению единицы длины с помощью настройки на экстремум интерференции в лазерном дальномере ближайшего аналога (прототипа) не обнаружено, но по способу определения дистанции до отражателя ближайшим аналогом выбран известный способ измерения длины, в котором производится измерение времени пролета фемтосекундного импульса до отражателя, а высокая точность измерения (десятые доли микрона) достигается за счет фазовой синхронизации частоты повторения импульсов с использованием метода оптической кросс-корреляции [3].

К недостаткам этого способа следует отнести сложность аппаратуры измерения временного смещения между опорным и измерительным импульсами. Временное смещение оценивается через оптическую кросс-корреляционную функцию с использованием периодически поляризованного кристалла KTiPO4. Из кристалла генерируются два субимпульса второй гармоники, один распространяется в прямом, а другой в обратном направлении, которые затем преобразуются в электрические сигналы с использованием пары фотодетекторов с последующим электрическим вычитанием. При устранении общего оптического и электрического шума результатом является аналоговый сигнал постоянного тока, обозначающий сбалансированную взаимную корреляцию двух основных импульсов. Этот сигнал показывает почти линейную пропорциональность временному смещению между возвратным и опорным импульсами, становится равным нулю, когда временное смещение равно нулю. К недостаткам данного метода следует отнести недостижимую в условиях открытой атмосферы избыточную точность определения момента совпадения опорного и измерительного импульсов.

Задачей изобретения является разработка способа воспроизведения единицы длины с помощью настройки на экстремум интерференции частотно модулированного излучения лазерного дальномера на основе интерферометра Майкельсона. Настройка на экстремум интерференции позволяет воспроизводить длину между разными экстремумами интерференции, что может быть использовано при разработке эталонов больших длин.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе предусмотрены следующие отличия:

а) используется низкочастотная модуляция длины опорного плеча интерферометра, что позволяет настраиваться на экстремумы интерференции и измерять расстояние между ними;

б) применяется обычный и единственный фотодетектор с усилителем рассчитанный на длину волны несущей;

в) разработана упрощенная оптическая схема.

г) возможно использование в качестве источника фемтосекундный или двухмодовый лазер;

Это избавляет от необходимости применения дорогостоящей и сложной аппаратуры и увеличивает надежность разрабатываемого средства измерения длины.

Изобретение поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлена 1 схема лазерерного дальномера с настройкой на экстремумы интерференции с помощью низкочастотной модуляции длины опорного плеча, на фиг. 2 - сигнал настройки на экстремум интерференции импульсного фемтосекундного лазера при помощи модулятора длины опорного плеча.

Сущность предложенного способа заключается в следующем: излучение лазера через коллиматор направляется в неравноплечий интерферометр Майкельсона с длинным измерительным и опорным коротким плечом (фиг. 1), где 1 - лазер; 2 - делительная пластина; 3 - опорный отражатель с модулятором; 4 - измерительный отражатель; 5 - устройство приема интерференционного сигнала.

В качестве источника излучения может быть использован двухмодовый или фемтосекундный [4] лазер 1 (фиг. 1). Пространственный период интерференции задается соответственно межмодовой частотой двухмодового лазера, либо частотой повторений импульсов фемтосекундного лазера. В опорном плече интерферометра устанавливается устройство модуляции (модулятор) 3 (фиг. 1), которое осуществляет сканирование некоторой области сигнала интерферирующих пучков за счет изменения разности хода волн интерферометра.

Модулятор представляет собой выполненное в едином узле устройство, состоящее из опорного отражателя и устройства, осуществляющего возвратно-поступательное движение этого отражателя с частотой 1÷3 Гц и амплитудой порядка 1 мм. За счет этого движения осуществляется сканирование некоторой области вокруг экстремумов интерференции, а на аппаратуре приема возникает последовательность импульсов (фиг. 2) с частотой, кратной частоте модуляции. Эта последовательность импульсов в дальнейшем используется для настройки на экстремум интерференции. Также в модуляторе предусмотрено устройство, формирующее импульс синхронизации сигнала, которое во время работы модулятора формирует прямоугольный импульс в средней точке хода модулятора.

Так как сканирование области интерференции происходит с амплитудой модуляции порядка 1 мм, то расстояние между экстремумами интерференции должно быть не менее нескольких миллиметров. Это в свою очередь накладывает ограничение на величину межмодовой частоты двухмодового лазера или частоту повторений импульсов лазера. Она не может быть более нескольких гигагерц.

Демодулирование сигналов, пришедших с измерительного плеча и опорного плеча, осуществляется в устройстве приема интерференционного сигнала 5 (фиг. 1). При использовании в качестве источника излучения фемтосекундного или двухмодового лазера критерием настройки на экстремум интерференции служит исчезновение в спектре демодулированного сигнала первой гармоники сигнала модуляции. В спектре этого сигнала остается только вторая гармоника сигнала модуляции.

Расстояние между двумя соседними экстремумами определяет единицу измерительного масштаба, которая соответствует частоте повторения импульсов лазера или межмодовой частоте двухмодового лазера.

Библиография

1. В.Д. Большаков, Ф. Деймлих, А.Н. Голубев, В.П. Васильев «Радиогеодезические и электро-оптические измерения». Москва. «Недра». 1985 г.

2. В.П. Данильченко, А.М. Андрусенко, И.В. Лукин, И.С. Олейник. "Исследования в области метрологического обеспечения лазерных дальномеров". Сборник научных трудов ВНИИМ под ред. К.т.н. В.П.Данильченко. Ленинград. 1981 г. с. 3-32.

3. Young-Jin Kim. Time-of-flight measurement with femtosecond light pulses. Nature Photonics. August 2010 r.

4. П.Г. Крюков Лазеры ультракоротких импульсов и их применение: Учебное пособие / П.Г. Крюков - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. - 248 с.

Способ воспроизведения единицы длины в лазерных дальномерах на основе интерферометра Майкельсона, заключающийся в том, что измерение длины (расстояния) основано на регистрации сигнала совпадения импульсов фемтосекундного лазера, и отличающийся тем, что с помощью низкочастотной модуляции длины опорного плеча осуществляют настройку на экстремумы интерференции для измерения расстояния между ними при использовании в качестве источника излучения фемтосекундного или двухмодового лазера, а критерием настройки на экстремум интерференции служит исчезновение в спектре демодулированного сигнала первой гармоники сигнала модуляции.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к лазерной технике. Модуль лазерного датчика для времяпролётных измерений содержит лазер (100) поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL или VECSEL) и задающую схему (120).

Способ поиска оптических и оптико-электронных приборов основан на использовании дистанционно пилотируемого аппарата, который осуществляет сканирование зоны поиска по определенной траектории.

Изобретение относится к локационным системам, использующим электромагнитные волны иные, чем радиоволны, конкретно к оптоэлектронным измерителям координат воздушных целей, и может быть использовано в бортовых и наземных локационных системах.

Изобретение относится к области определения местоположения. Оптическое устройство обнаружения объектов содержит оптоэлектронный блок, источники света в составе передающей оптической системы с полем излучения, объектив с полем зрения, зеркало, размещенное перед передающей оптической системой и объективом.

Изобретение относится к области радионавигации. Техническим результатом является обнаружение препятствий, находящихся в окружающей среде подвижного аппарата.

Изобретение относится к обнаружению и сопровождению движущихся объектов на основе данных трехмерного датчика. Техническим результатом является повышение точности обнаружения движущихся объектов.

Система безопасности объекта в открытой акватории, включающая в себя донные гидролокационные станции, донный коммутатор, пункт управления, магистральный кабель, автономный необитаемый подводный аппарат, характеризуется тем, что донные гидролокационные станции, кроме локальных целей в охраняемой акватории, совмещают в себе функции постоянного экологического мониторинга окружающей среды и гидролокационных буев-ответчиков для навигации гидроакустических станций кругового обзора, не требуют обслуживания в части заряда аккумуляторных батарей.

Группа изобретений относится к технике оптической регистрации, а именно к технике лазерного зондирования и фотоэлектрической регистрации обратно отраженного излучения, преимущественно быстропротекающих процессов, и позволяет определять массовые характеристики движущихся объектов.

Однозрачковая мультиспектральная оптическая система со встроенным лазерным дальномером содержит общий входной канал, спектроделительную пластинку, отражающую спектральный диапазон оптического канала и пропускающую спектральный диапазон тепловизионного канала.

Активно-импульсный телевизионный прибор ночного видения содержит блок наблюдения, телевизионный канал, блок управления и синхронизации, импульсный инфракрасный осветитель и блок деления частоты.

Устройство фотоэлектрического преобразования, содержащее первый участок фотоэлектрического преобразования, являющийся первым фотодиодом и выполненный с возможностью формировать электроны; и второй участок фотоэлектрического преобразования, являющийся вторым фотодиодом и выполненный с возможностью формировать дырки.

Изобретение относится к области измерения расстояний до объекта с помощью электромагнитных волн. Оптическое устройство для определения расстояний до объекта включает в себя источник излучения на объект модулированного бинарного оптического сигнала, генератор создания зондирующей последовательности, генератор тактового сигнала, оптическое приемное устройство, работающее в нелинейном режиме, первый блок накопления сигнала, модуль вычисления взаимно-корреляционной функции опорного и принятого сигналов, второй блок накопления сигнала, демультиплексор, модуль порогового обнаружения сигнала, модуль вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке  отраженного сигнала, модуль вычисления временной задержки отраженного сигнала.

Изобретение относится к лазерной дальнометрии. Техническим результатом является увеличение дальности действия лазерного дальномера.

Изобретение относится к области контрольно–измерительной техники. Способ измерения расстояния до объекта заключается в том, что объект освещают лазерным излучением, отраженное от объекта излучение, интерферирующее в лазере, преобразуют в электрический автодинный сигнал.

Оптическое устройство для определения расстояний до объекта включает в себя источник излучения, генератор создания зондирующей последовательности, генератор тактового сигнала, светочувствительный элемент детектирования отраженного оптического сигнала от объекта, блок интегрирования, модуль вычисления корреляции излученного и отраженного сигналов модуль порогового обнаружения сигнала, модуль вычисления расстояния до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала.

Заявленная группа изобретений относится к волоконно-оптическим датчикам. Заявленный способ оценки расстояния, а также устройство, реализующее указанный способ, включает в себя: формирование оптического сигнала с длиной волны в некотором диапазоне длин волн, причем оптический сигнал модулирован с использованием модулирующего сигнала с частотой модуляции.

Изобретение относится к области робототехники, в частности к оптико-электронным приборам, предназначенным для построения карты местности, измерения расстояния от точки установки прибора до точки пересечения измерительного луча прибора с препятствием.

Способ определения расстояний до объекта включает в себя генерацию тактового сигнала, модуляцию указанного тактового сигнала, излучают на объект модулированный бинарный оптический сигнал, принимают отраженный сигнал от объекта, вычисляют корреляцию излученного и отраженного сигналов, вычисляют расстояние до определяемого объекта по временной задержке отраженного сигнала.

Изобретение относится к ручному лазерному дальномеру. Дальномер содержит лазерный узел для определения отличающихся первого и второго расстояний в первом и втором относительных направлениях через короткий промежуток времени и устройство ввода для установки угла между первым и вторым относительными направлениями.

Изобретение относится к устройству для измерения расстояния с помощью оптического излучения. Устройство содержит излучатель измерительного оптического излучения в направлении целевого объекта, приемник, имеющий регистрирующую поверхность для регистрации измерительного оптического излучения, и эталонное устройство, имеющее регистрирующую поверхность для регистрации направляемого внутри измерительного устройства эталонного излучения.
Изобретение относится к области обеспечения устойчивости функционирования лазерных средств дальнометрирования в условиях действия оптических помех с фиксированной задержкой по времени и может быть использовано в технике, где используются различные излучатели.

Изобретение относится к области измерения больших расстояний, в том числе с помощью источников когерентного лазерного излучения, и может быть использовано для точного измерения расстояния в точном машиностроении, а также для поверки и калибровки высокоточных средств измерения. Технический результат состоит в разработке способа воспроизведения единицы длины при разработке эталонов больших длин. Для этого излучение лазера через коллиматор направляется в неравноплечий интерферометр Майкельсона с длинным измерительным и опорным коротким плечом. В качестве источника излучения может быть использован двухмодовый или фемтосекундный лазер. Пространственный период интерференции задается соответственно межмодовой частотой двухмодового лазера, либо частотой повторений импульсов фемтосекундного лазера. В опорном плече интерферометра устанавливается устройство модуляции, которое осуществляет сканирование некоторой области сигнала интерферирующих пучков за счет изменения разности хода волн интерферометра. 2 ил.

Наверх