способ определения времени распространения оптических колебаний

Классы МПК:G01S17/36 со сравнением фаз принятого и одновременно переданного сигналов
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Санкт-Петербургский технологический институт холодильной промышленности
Приоритеты:
подача заявки:
1992-04-20
публикация патента:

Использование: в лазерных информационно-измерительных системах для измерения расстояния до удаленных объектов и определения физических величин, влияющих на время распространения лазерного излучения. Сущность изобретения: способ определения времени распространения оптических колебаний заключается в генерировании оптических колебаний двух частот, разделение каждого из колебаний на информационное и опорное, направлении информационных колебаний одной частоты на контролируемый объект, совмещении отраженных от объекта колебаний с информационными колебаниями другой частоты до образования интерференционной картины, преобразовании биений интенсивности интерференционной картины в электрическое напряжение разностной частоты оптических колебаний, выделении опорного напряжения разностной частоты оптических колебаний после измерения разности фаз информационного и опорного напряжений, изменении разности фаз исходных оптических колебаний до получения величины, превышающей первоначальную разность фаз на величину, кратную порогу чувствительности фазометра, измерении соответствующего измененной разности фаз нового значения разностной частоты оптических колебаний и определении времени распространения оптических колебаний по измеренным данным. 1 ил.
Рисунок 1

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ, заключающийся в том, что генерируют два исходных оптических колебания с частотами способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 и начальными фазами способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 соответственно, разделяют каждое из колебаний на информационное и опорное, направляют информационное колебание частоты способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 на контролируемый объект, совмещают информационные колебания, полученные при взаимодействии с объектом, с информационными колебаниями частоты способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 до образования интерференционной картины, преобразуют биения интенсивности интерференционной картины в электрическое напряжение, совмещают опорные колебания исходных частот оптических колебаний способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 выделяют опорное напряжение разностной частоты и измеряют разность фаз способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 информационного и опорного напряжений, отличающийся тем, что после измерения разности фаз способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 измеряют разностную частоту способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 исходных оптических колебаний, изменяют разность фаз исходных оптических колебаний способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 в пределах 0 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 360способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616, при этом

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162-способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161= Nспособ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616K,

где K величина порога чувствительности фазометра;

N целое число,

измеряют соответствующее способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 новое значение разностной частоты способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 оптических колебаний, а время распространения оптических колебаний способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 определяют из соотношения

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерным информационно-измерительным системам с использованием оптических немодулированных излучений близких частот со сравнением фаз электрических сигналов частоты биений оптических колебаний и может быть использовано для измерения расстояния до удаленных объектов, скорости распространения оптических колебаний в различных средах, а также определения различных физических величин (давления, температуры и т.д.), влияющих на время распространения лазерного излучения.

Известен способ определения времени распространения оптического излучения, заключающийся в разделении оптических колебаний на информационное и опорное, из которых информационные колебания отражаются от контролируемого объекта или пропускаются через исследуемую среду, смещении частоты опорных колебаний электрическим сигналом, совмещении отраженных от объекта или прошедших исследуемую среду информационных колебаний с опорными до образования интерференционной картины, преобразовании биений интенсивности интерференционной картины в электрическое напряжение разностной частоты и измерении фазы выделенного напряжения, по которой судят о времени распространения.

Известен также способ определения времени распространения оптического излучения, включающий разделение излучения на информационный и опорный пучки, направление информационного пучка на исследуемый объект, совмещение информационного и опорного пучков, внесение дополнительной разности хода, изменяющейся по периодическому закону, и определение времени распространения по результатам измерения переменной составляющей интенсивности сигнала в интерференционной картине.

Недостатком этих способов является неоднозначность определения времени распространения излучения, если разность фаз интерферируемых колебаний превышает 2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616.

Наиболее близким к изобретению является способ определения скорости распространения оптических колебаний, заключающийся в том, что оптические колебания разделяют на информационные и опорные, направляют информационные колебания на контролируемый объект или пропускают через исследуемую среду, совмещают отраженные от объекта или прошедшие среду информационные колебания с опорными до образования интерференционной картины, преобразуют интенсивность интерференционной полосы в выбранной точке интерференционной картины в электрическое напряжение с помощью фотоприемника, перемещают дифференциальный фотоприемник относительно интерференционных полос влево или вправо до достижения ближайшего нулевого значения его выходного напряжения, сдвигают частоту оптических колебаний на величину F, при которой выходное напряжение дифференциального фотоприемника U1 будет удовлетворять условию способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616U < U1 < 10способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616U, где способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616U порог чувствительности интерферометра, измеряют выходное напряжение фотоприемника U1, дополнительно задерживают опорные колебания до достижения прежнего значения выходного напряжения фотоприемника, изменяют направление сдвига оптических колебаний на противоположное и измеряют выходное напряжение дифференциального фотоприемника U2, исключают дополнительную задержку опорных колебаний, измеряют выходное напряжение фотоприемника U3, а время распространения оптических колебаний способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616определяют по формуле

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 + способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616o где способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616о время распространения опорных колебаний.

Однако способ-прототип, позволяя исключить неоднозначность в определении времени распространения колебаний, характеризуется невысокой точностью измерения, обусловленной необходимостью измерения интенсивности интерференционных полос, а также сложностью реализации, связанной с необходимостью механического перемещения элементов интерферометра и большим числом промежуточных измерений интенсивностей интерференционных полос для вычисления времени распространения оптических колебаний.

Технический результат изобретения повышение точности измерений и упрощение реализации способа.

Для этого в способе определения времени распространения оптических колебаний, заключающемся в том, что генерируют два исходных оптических колебания с частотами способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 и начальными фазами способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162соответственно, разделяют каждое из колебаний на информационное и опорное, направляют информационное колебание частоты способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 на контролируемый объект, совмещают информационные колебания, полученные при взаимодействии с объектом, с информационными колебаниями частоты способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162до образования интерференционной картины, преобразуют биения интенсивности интерференционной картины в электрическое напряжение, совмещают опорные колебания исходных частот оптических колебаний способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162, выделяют опорное напряжение разностной частоты и измеряют разность фаз способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 информационного и опорного напряжений, в соответствии с изобретением после измерения разности фаз способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 измеряют разностную частоту способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 исходных оптических колебаний, изменяют разность фаз исходных оптических колебаний способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 в пределах 0 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616360о, при этом способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162- способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 Nспособ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616K, где К величина порога чувствительности фазометра; N целое число, измеряют соответствующее способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 новое значение разностной частоты способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162оптических колебаний, а время распространения оптических колебаний способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 определяют из соотношения

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616

На чертеже представлена функциональная схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит однотипные первый и второй лазерные диоды 1 и 2, причем второй лазерный диод 2 помещен в термошкаф 3 с прозрачным окном, светоделительные кубики 4 и 5, контролируемый объект 6, первую щелевую диафрагму 7 и первый приемник 8 излучения, зеркальную грань 9 на кубике 4, вторую диафрагму 10 и второй приемник 11 излучения, фильтры нижних частот (ФНЧ) 12 и 13, фазометр 14 и частотомер 15, причем выходы первого 8 и второго 11 приемников излучения через соответственно ФНЧ 12 и 13 подключены к входам фазометра 14, а вход частотомера 15 соединен с выходом второго приемника 11 излучения.

Излучение диода 2 направляют на контролируемый объект 6 и с помощью светоделительных кубиков 4 и 5 совмещают в плоскости приемника 8 с излучением диода 1. С помощью этих кубиков исходные излучения диодов 1 и 2 и зеркальной грани 9 кубика 4 совмещаются в плоскости приемника 11. Биения интенсивности интерферируемых колебаний на выходе приемников 8 и 11 выделяют в виде электрических напряжений ФНЧ 12 и 13, разность фаз напряжений частоты биений измеряется фазометром 14, а их частоты частотомером 15.

Способ определения времени распространения оптических колебаний реализуется следующим образом.

В качестве источников оптического излучения с двумя близкими частотами используют два однотипных лазерных диода 1 и 2, один из которых (2) помещают в термошкаф 3 с регулируемой температурой. При включенном термошкафе 3, когда оба диода имеют одинаковую температуру способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616, они генерируют оптические излучения близких частот способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 с начальными фазами способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 соответственно. Из этих излучений светоделительными кубиками 4 и 5 формируют информационные и опорные колебания. Информационные колебания диода 2 с частотой способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 направляют на контролируемый объект 6. Отраженные колебания (показаны пунктиром) с временем распространения способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 кубиком 5 направляются через щелевую диафрагму 7 на приемник 8 оптического излучения. Одновременно с этим информационные колебания диода 1 через кубики 4 и 5 также направляются на приемник 8, где они совмещаются с отраженными информационными колебаниями диода 2.

В результате совмещения информационных колебаний с частотами способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 в плоскости приемника 8 излучения образуется интерференционная картина, интенсивность интерференционных полос которой периодически изменяется с частотой биений способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161- способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162. Аналогичная интерференционная картина образуется при совмещении опорных колебаний диода 2 с опорными колебаниями диода 1, отраженными от зеркальной грани 9 кубика 4 в плоскости приемника 11 излучения.

Фазовый сдвиг информационных колебаний на частоте способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 определяется временем распространения способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 и может быть представлен в виде

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616= 2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616(n + P1) (1) где n целое число фазовых циклов в 360о (2 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616);

Р1 дробная часть полного фазового цикла.

Биения интенсивности интерферирующих колебаний от диодов 1 и 2 преобразуют в информационное электрическое напряжение приемником 8, а приемником 11 в опорное электрическое напряжение. Информационное напряжение на выходе ФНЧ 12 имеет вид

U1 Um1 cos (2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161t + способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 + способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162) Um1 cos (2 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161t + 2 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616+ способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161- способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162) (2) а опорное напряжение на выходе ФНЧ 13 равно

U2 Um2 cos (2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161t + способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162) (3)

Измеряют разность фаз информационного и опорного напряжений разностной частоты фазометром 14, а значение разностной частоты способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 частотомером 15. Поскольку фазометр измеряет разность фаз только в пределах одного цикла (360о), то измеренную разность фаз из выражения (1) можно представить как

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161=2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616P1=2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616(способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616-n). (4)

Нагревают диод 2 в термошкафу 3, плавно повышая температуру на величину способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616. В результате нагрева диода 2 его частота излучения меняется до значения способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162l. В результате этого фазовый сдвиг отраженных информационных колебаний изменяется до значения

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162=2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162lспособ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616, (5) а частота биений становится равной

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162=способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161-способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162. (6)

Нагрев диода 2 на способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 осуществляют до получения новой разности фаз, которая превышает первоначальную разность фаз на величину, кратную порогу чувствительности фазометра 14, но в пределах его шкалы (360о)

Nспособ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616K<способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162-способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161<2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616, (7) где К порог чувствительности фазометра;

N коэффициент, учитывающий уровень помех и шумов на входе приемников излучения.

При выполнении условия (7) фазовый сдвиг (5) можно представить в виде

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162= 2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162lспособ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616= 2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616(n+P2), (8) где Р2 дробная часть последнего фазового цикла при прежнем значении n.

Фазометром 14 измеряют измененное значение разности фаз

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162=2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616P2=2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616(способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162lспособ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616-n). (9)

Одновременно частотомером 15 измеряют значение новой разностной частоты способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 оптических колебаний.

По показаниям фазометра (4) и (9) определяют разность:

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162-способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161=2способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616(способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161l-способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162)способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616, (10) откуда время распространения

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 (11)

Учитывая, что разность частот оптических колебаний

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162l-способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162=способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161-способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162, окончательно получаем

способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 (12) где способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162, способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 измеряемые параметры электрических напряжений.

Из выражения (12) следует, что результат определения времени распространения способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 2038616 не зависит от целого числа фазовых циклов n, а следовательно, от соотношения пути, проходимого информационными колебаниями, и длин волн способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386161 и способ определения времени распространения оптических   колебаний, патент № 20386162 оптических излучений. При этом исключается необходимость перемещения приемников излучения относительно интерференционных полос и дополнительной задержки оптических колебаний.

Число измерений сокращается до двух.

Использование изобретения позволяет определять время распространения оптических колебаний в широком диапазоне значений (10-6- 10-9 с) без сложных аппаратурных затрат и с достаточно высокой точностью. Погрешность измерения в основном определяется погрешностями измерения разности фаз и частоты электрических напряжений, которые в диапазоне частот от 10 МГц до 1 ГГц не превышают относительных значений 10-4 10-3.

Наверх