Интерференционный способ измерениярасстояний

 

(ЙЮЬ Юй . 1 мвссI

О Л К С АИ И Е,7ооол

ИЗОБРЕ7ЕН Ия

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СЕ КДЕТЕЛЬСУВУ (6! ) Дополнительное к авт. спид-ву (22)Заявлено 24.10.77(21) 2536605/18-10 (5(}g y@

01 С 3/08 с присоединением заявки,,"е

Гасударственный квинтет (23) Приоритет ло делам изобретений и отнрытнй

Опубликовано 07.08,81. ь оллетень,¹ 29 (53} УДК 528. .517(088<8) Дата опубликовани". описания 17.08.81 (72) А втор изобретения

A. Н. Голубев.Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии (7I ) Заявитель (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫ!! СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ

РАС СТОЯ НИ Й

Изобретение относится к области интерференнионных геодезических измеререний и может быть использовано при построении на местности геодезических сетей высокой точности, при работах по изучению деформации земной коры и т.п.

При интерференционных способах измерения расстояний, о уществляемых при помощи лазерных интерферометров, необходимо определять количество полуволн света

M лазера, укладывающихся на измеряемом расстоянии. Известен способ, решающий эту задачу применением нескольких длин волн из- 1; лучения и именуемый методом совпадения дробных частей длин волн (.1). Он находит применение в метрологии для из-. мерения эталонов длины порядка метра, но не может быть использован для изме- о рения больших расстояний (порядка сотен метров), так как при этом требуется предварительно знать измеряемое расстояние с точностью которая не может быть обеФ спечена известными средствами при линиях такой длины.

Известен также способ 52/, в котором количество почуволн света лазера, содержащееся в измеряемом расстоянии, определнот путем счета интерференционных полос при перемещении подвижного отражателя вдоль осей измеряемой линии.

Недостатком данного способа является то, что указмптсе перемещение отражателя на большие расстоятптя (сотни метров) через вычайно трудно осуществимо и поэтому иа линиях указанной длины не используется.

В итоге современные лазерные иитерфе рометры измеряют не сами расстояния, а лишь их изменения. (елью изобретения является обеспечение возможности измерения расстояний при работе в открытой атмосфере без перемещения отражателя вдоль всей трассы.

Цель достигается тем, что во время измерений перемещением отражателя изменщот разность хода лучей, определяю25

-) Иа с ми н к лакс мин

3 ? 0002 щую измеряемое расстояние, до величины, кратной полуцелому числу длин резонатора лазера, фиксируя этот момент по минимальной контрастности интерференци онной картины, измеряют это перемещение.

Теоретические предпосылки способа состоят в следующем. Известно, что лазер генерирует две близких спектральных линии с длинами волн и и 1 g = Л„+

ЬЯ, то видимость (контрастность) интерференционных полос, наблюдаемых в интерферометре, является периодической функцией разности .хода интерферирук» щих лучей с пространственным приводом

?Q g Пусть генерируемые частоты ф

Q r и1 соответствуют центрам цвух сосецних аксиальных моц резочатора, тогда их разность, как известно, будет равна

С 1„- 4gl=gg

20 где С вЂ” скорость света, 1, — длина резонатора, Переходя от частот к длинам волн Х = С/4, получим й1-31 4 й.„й 21, или

2 аЛ = и т.е. пространственная периодичность изменения контрастности равна удвоенной длине резонатора лазера. Это обстоятельство неоднократно отмечалось эксперимен тально.

Таким образом, при разности хода, равной 2 М Ь (H — целое число), наблюдается максимальная контрастность интерференционной картины, а при разности хода, равной (21 1 +1)1, контрастность равна нулю (минимальная). Это явление дает возможность выразить изм яемое расстояние, прецставляющее собой разность хода интерферирующих лучей, в длинах резонатора лазера. При этом дробную часть длины резонатора можно измерить непосредственно, перемещая отражатель до момента исчезновения контраста, а целое число длин. резонатора в измеряемой линии - определить из более грубых, например светодальномерных, измерений.

Способ может быть реализован при по-, мощи схемы, изображенной на чертеже.Излучение от газового лазера 1, генерирую» щего одновременно две аксиальные моды,. направляют в интерферометр типа Майкельсона, состоящий из светоделительного зеркала, 2, непоцвижного отражателя 3, неподвижного отражателя 4, установленного на цругом конце измеряемой линии, под» вижного отражателя 5, укрепленного на

7 ф каретке 6, могущей пер мещаться по и»правляющим 7, и приемного устройства

8. Перемещение подвижного отраж теля

5 может быть отсчитано при помощи измерительного иицикатор» перемещений 9.

Приемное устройство 8 соцержит онтичес кую систему 1 О, проектирующую интерференционную картину на регулируемую z:èñтему щелей (цвухщелевую диафрагму) 11.

Систему щелей регулируют таким образом, чтобы через одну .цель проходил свет от светлой интерференционной полосы, а через другую — от темной. Через щели свет от интерференционной картин попацает на сканирующее устройство 12, проектирующее на катод фотоумножителя 13 иэображе ния светлой и темной полосы с некото .— рой часто ой. К выходу фотоумножителя

1 3 подключено регулирующее устройство

14, способное фиксировать моменты, когца амплитуда сигнала частоты сканирования равна нулю или минимальна.

Приемное устройство таким образом ре— гулирует контрастность образующейся в плоскости щелей интерференционной картины путем сравнения световых потоков, поступающих на фотоумножитель от светлой и темной полос картины. Как известно, контраст определяется выражением охс и"мин — интенсивности св лой и темной полос.

Величина тока на выхоце ФЭУ опрецеляется интенсивностью поступающего на фотокатод света и, поскольку сканирующее устройство 12 осуществляет попеременную подачу потоковЗ „ ИЭ,ин на ФЭУ, на выходе послецне "o возникает переменный сигнал с частотой сканирования, амплитуqa которого пропорциональна разности (3 Д„„ „) и становится равной нулю при ()„-Д„,ин) =О, т.е. при нулевом контрасте, наблюдаемом при разности хода интерферирующих лучей равной (2N+

1)L и приводимой к этому значению перемещением подвижного отражателя 5.

Таким образом, предлагаемый способ заключается в том, что перемещают под вижной отражатель 5 до тех пор, пока регистрирующее устройство 14 не зафиксирует нулевое значение амплитуды выходного сигнала фотоумножителя 1 3, и затем при помощи измерительного устройства

9 измеряют перемещение подвижного отражателя 5, после че".о длину измеря5 700027 6 емой линии (расстояние от референтной контрастность с точностью цо 10 ", г.е. плоскости цо неподвижного отражателя минимальная регистрируемая величина д К

4) определяют по формуле составляет 0,00 . Подставляя это значе» .,ние в последнюю формулу и полагая длину д=(1ИЧ) — +6+6=(И+ ) " с» 7

I. резонатора L, ðàâíîé 30 см, получим, что чувствительность способа будет сосгце L — известная длина резонатора тавлягь

-4 е еме ение по- 9 о" = 7. 10 L = 0,1 мм лазера, К измереннсе и р щ цвижного отражателя, 3 - постоянная поправка, учитывающая цополнительный ход луча в оптической линии (в блоке подвижного отражателя), а целое числоМ известно, ка указывалось ранее, из более <р о p M у л а грубых измерений. Знак перец 0 определя-ется направлением перемещения отражате- 5 ля.

Возможная точность способа опрецеляется тем минимальным изменением разности хоца, при котором изменение разности (Э, - 3 „„) еще может быть за- 20 регистрировано приемником в условиях

;турбулентной атмосферы. Для оценки удобнее пользоваться относительной мерой разности (мо -3«) т.е. контрастностью

У

К. Можно показать, что если интенсивнос- 5 ти излучений с длинами волн и Х в точке интерференции оцинаковы, то контрастность определяется выражением т.е. будет вполне достаточной для многих применений. изобретения

ЗТ Р. Л Ф

К=C063 =COS — == 005 у где L - известная длина резонатора лазера, 6 — измеренное перемещение, cg — постоянная величина, а число К определяют иэ более грубых дальномерных измерений, обеспечивающих измерение данной линии с точностью до длины резонатора

Источники инфОрмации, J принятые во внимание при экспертизе

1. Кондрашков А B. Интерференция

caera и применение ее в геоцеэии. Геодезизцат, М., 1956, с. 74.

2. Коломийцев Ю. В. Интерферометры, Л., Машиностроение, 1976, с. 189 (прототип) .

В настоящее время применение фото50 электрических методов позволяет измерять где п - разность порядков интерференции для длины волн („и 1, сг- - разность хода. Отсюда. вицно, 35 что контрастность равна нулю при dЪ(ßÈè)Ü.

Если эту разность хода, соответствующую нулевому контрасту, изменить на небольшую величину с2 сР-, то контрастность возрастет от нуля до некоторой величины ф .@

Дифференцируя выражение для К, получим

АФ

64п — Йd

2ь 1Lã

ТФ откуца при )9)n — =

1L

dd" <ЯК ) -1,g

Интерференционный способ измерения расстояний, основанный на периоцическом изменении контрастности интерференционной картины от цвухчастотного лазера при изменении разности хода интерферирующих лучей, отличающийся гам, что, с целью обеспечени я возможности измерения расстояний при работе в открытой атмосфере беэ перемещения отражателя вдоль всей трассы, во время измерений перемещением отражателя изменяют разность хода лучей, определяющую измеряемое расстояние, qo величины, кратной полуцелому числу цлин резонатора лазера, фиксируя этот момент по минимальной контрастности интерференционной картины, измеряют это переме цение, а искомое расстояние определяют по формуле:

2=(М i с)ail+4, Составитель В. Кристич

Те хред М. Рейвес Корректор Л. Иван

Редактор О. Кузнецове

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

Заказ 5839/45 Тираж 642 Подписное

BHHHfIH Госудерственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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