Стабилизация дистанционных лазерных измерений в атмосфере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стабилизация дистанционных лазерных измерений в атмосфере

Г.Б.Эшонкулов

Национальный университет Узбекистана

Основным фактором, затрудняющим измерение малых перемещений на открытых оптических трассах, является влияние нестабильностей атмосферы. Случайные вариациии давления и температуры в измерительной трассе вызывают квазистационарные изменения показателя преломления

, (1)

что кроме блуждания светового луча вызывает флуктуации оптического пути, влияющие на результат измерений. Уменьшения влияния атмосферы на трассе распространения лазерного пучка на практике добиваются тем, что измерительное плечо интерферометра экранирует с помощью вакуум-провода или помешают в герметичный лучевой трубопровод с избыточным давлением газа, что обычно неосуществимо.

Нами разработана измерительная гетеродинная система, описанная в [2]. В составе измерительного комплекса используется блок компенсации влияния атмосферы с использованием дополнительного короткого компенсационного плеча постоянной длины [3], что позволяет непрерывно в процессе измерений реагировать на величину изменения показателя преломления воздуха и частотного набега фазы и корректировать результаты деформографических измерений.

При геометрической длине измерительного плеча L оптический путь до концевого отражателя и обратно составляет , где - среднеинтегральный показатель преломления воздуха на трассе распространения лазерного луча.

При перемещении отражателя на величину /2, где - длина волны лазерного излучения, разность фаз сигналов биений двух фотоприемников - опорного и сигнального - совершает один полный цикл, то есть изменяется на 2. За время измерения t фазовый набег, регистрируемый реверсивным счетчиком, определяется выражением:

(2)

где -перемещение объекта за время t скоростью V, а -изменение частоты лазерного излучение за этот же промежуток времени. Для того чтобы система имела большую чувствительность к измерению малых перемещений , необходимо с высокой точностью регистрировать изменение показателя преломления воздуха в измерительном плече и изменение частоты лазерного излучения.

Эту роль выполняют в системе компенсационное оптическое плечо. Изменение фазы радиосигнала, выделяемого на компенсационном фотоприемнике, будет регистрироваться путем подачи его, наряду с сигналом от опорного фотоприемника на компенсационный реверсивный счетчик. Этот счетчик за время t измерит фазовый набег, определяемый следующим соотношением:

, (3)

где l-длина компенсационного плеча, и -отмеченные выше изменения показателя преломления окружающей воздушной среды и соответственно частоты излучения за счет нестабильности лазеров за время измерения t, а -погрешность измеряемого фазового набега, обусловленная относительной нестабильностью p длины компенсационного плеча. Решая совместно (2) и (3), получим выражения для измеряемого перемещения , которое уже не содержит добавку, связанную с изменением метеоусловий в измерительном плече интерферометрической системы и частотной нестабильностью излучения лазеров:

, (4)

где первое слагаемое является измеряемой величиной, а второе - погрешностью, связанной с нестабильностью опорного плеча.

Из представленного выражения (4) следует, что для получения высокой относительной чувствительностью к малым перемещениям необходимо существенно уменьшить уровень относительной нестабильности длины компенсационного плеча p. Для достижения, например в геофизических измерениях, относительной чувствительности на уровне

необходимо соответственно обеспечить нестабильность длины опорного плеча не более p=10-9.

Если известна -погрешность или разрешение, с которым измеряются фазовые набеги и , то можно найти условие на минимальную длину компенсационного плеча:

(5)

Откуда

.

стабилизация дистанционный лазерный атмосфера

Для p=10-9, =0,63 мкм и реально достижимой =210-3 получим lmin0,3 м. При длине компенсационного оптического плеча меньше 0,3 м нужная чувствительность измерения линейных перемещений на больших расстояниях не достигается.

Таким образом применение опорного компенсационного плеча в интерферометрической системе позволяет без специальной экранировки измерительного плеча исключить влияние медленных вариаций метеопараметров на деформационный сигнал в измерительном плече с коэффициентом подавления атмосферных возмущений К>100. На такой интерферометрической системе можно достичь относительной чувствительности на уровне 10-9, что увеличивает диапазон задач физических измерений.

Работа выполняется по гранту ККРНТ А13-023.

Литература

1. Р.Р.Вильданов, Г.Б.Эшонкулов. УзФЖ. 2005. №3. С.204-207

2. С.H.Багаев, В.А.Орлов, А.Ю.Рыбушкин, В.М.Семибаламут, Ю.H.Фомин . Тезисы докл. Международной конференции "Оптика лазеров", С.-Петербург, 1993, с.555-556.

Размещено на Allbest.ru