Лазерные интерферометры перемещений

Интерферометры для линейных измерений, построенные на основе схемы Майкельсона, получили название интерферометров перемещений, поскольку они измерят длину, как величину перемещения подвижного зеркала (отражателя).

В таких интерферометрах как источник света используют Не-N лазер с длиной волны излучения  = 0,63 мкм, а плоские зеркала обязательно заменяют угловыми отражателями: во-первых, они некритические к небольшим разворотам, неминуемым при движении, а во-вторых, отображенный от них свет не попадается назад в лазер (как это имеет место в схеме на рис.5.1), что нарушило бы его работу.

Лазерные интерферометры могут быть двух типов, которые различаются тем, что при недвижимом отражателе интерференционная картина:

1) стационарная (недвижимая);

2) нестационарная (что бежит или периодически качается).

Во второму случая на выходе фотоприемника возникает сменный сигнал даже при отсутствии движения отражателя, который дает опорную частоту при измерении перемещений и позволяет существенным образом улучшить много параметров интерферометра. «Качание» картины создается обычно фазовой модуляцией излучения в опорном плече (модуляционные интерферометры). Картина, которая бежит, при недвижимом отражателе возникает, если на приемнике інтерферують волны двух разных (достаточно близких) оптических частот. Это можно обеспечить применениям двочастотних лазеров или сдвигом частоты одночастотного лазера с помощью акустооптичних и других устройств (гетеродинные интерферометры). Таким образом, первый тип интерферометров ( гомодинні интерферометры) отвечает классической схеме Майкельсона, а второй тип включает модуляционные и гетеродинные схемы.

Принцип построения гомодинних интерферометров (интерферометры первого поколения) иллюстрируется на рис.5.2,а. В них используется одночастотный стабилизированный Не-Nе лазер. Для обеспечения реверсивного подсчета полос есть два фотоприемника, реєструючі сигналы, сдвинутые по фазе на 90^в (на рисунке для простоты показанный только один фотоприемник).

Схему на рис.5.5,а можно превратить в модуляционную, вводя фазовую модуляцию излучения в опорном канале путем упрочения опорного отражателя на пьезокерамике, к которой привстает сменное напряжение от генератора. Это создает периодическое изменение различия хода в интерферометре, который накладывается на постоянное линейное изменение различия хода, обусловленное движением отражателя. Подсчет полос проводится в моменты, когда модулюючий сигнал проходит свое среднее положение, равное нулю, и потому свидетельства реверсивного счетчика всегда отвечают измеренному перемещению.

Гетеродинный интерферометр с двочастотним лазером строят по схеме, показанной в обобщенном виде на рис.5.2,бы.Не-nе лазер излучает две близких оптические частоты ₁ и ₂, что разнесли на величину порядка 2 Мгц, полученные расщеплениям лазерной частоты _в на две компонента при помещении активного среды лазера в продольное магнитное поле (эффект Зеємана).

 

а)

 

б)

Рис.5.2. Схема построения лазерного интерферометра

а) с одночастотным лазером, б) гетеридинна схема с двочастотним лазером

Особенностью такого интерферометра является наличие двух отдельных каналов – опорного и сигнального. В опорном канале обе оптические частоты направляются сразу на опорный фотоприемник, а в сигнальном канале одна из частот направляется на недвижимый опорный отражатель, а другая – на дистанционный отражатель, после чего они, прошедши соответствующие плечи интерферометра, приходят на сигнальный фотоприемник. В такой схеме как на опорному, так и на сигнальному фотоприемниках возникает “біжуча” интерференционная картина даже при недвижимом дистанционном отражателе. Это происходит в результате интерференции двух різночастотних колебаний с близкими частотами ₁ и ₂, образующими сигнал битья – изменение интенсивности с разностной частотой. В такой схеме число N определяется как различие двух чисел –показателей счетчиков в сигнальном и опорном каналах – следующим чином.

При недвижимом дистанционном отражателе скорость перемещения интерференционных полос перед опорным и сигнальным фотоприемниками одинаковая и численно равняется разностной частоте F = ₁ - ₂  (F полос в секунду). Поэтому счетчики в опорном и сигнальном каналах будут регистрировать одинаковое количество полос за любой интервал времени.

(5.8)

При движении дистанционного отражателя возникает допплерівський сдвиг частоты на сигнальном фотоприемнике, и скорость перемещения полос перед сигнальным фотоприемником становится равной F  F полос в секунду, где F – величина допплерівського сдвига, равная 2V/ (V – скорость движения отражателя), а знак перед F зависит от направления движения. В этом случае количество полос, регистрированное счетчиками в опорном и сигнальном каналах за один и тот же интервал времени t = t₂ - t₁, будет разной - N₁ и N₂, а их различие будет одинаковое. То есть различие показателей счетчиков в сигнальном и опорном каналах равняется интегралу от допплерівського сдвига частоты, или, другими словами, интерферометр осуществляет интеграцию допплерівського сдвига частоты за время измерения.

В общем случае отражатель движется неравномерно со скоростью V = V(t), и допплерівський сдвиг будет F(t)= 2V(t)/. Подставляя его в последнее выражение и учитывая, что при неравномерному движении D(t)=  V(t)dt, найдем

(5.9)

где D – пройденное расстояние. Полученная величина не зависит от скорости движения отражателя, и потому непостоянство скорости не влияет на результат измерений. Помножив подсчитанное число N на /2, получим расстояние D.

Отметим, что и в «классической схеме» с одночастотным лазером при движении отражателя возникает допплерівський сдвиг частоты 2V/, и число N есть интеграл от этого сдвига за время измерения.

В современных интерферометрах все измерения автоматизированные, и окончательный результат выдается на цифровое табло.

Лазерная інтерферометрія – найточніший метод линейных измерений, с которым не могут конкурировать никакие другие методы. Инструментальная погрешность составляет меньше 1 мкм. Результирующая точность метода лимитируется погрешностью знания длины волны. Эта погрешность зависит от стабильности оптической частоты и точности определения показателя преломления воздуха. Типичная относительная ошибка интерференционных измерений составляет 510-7 .

Необходимость перемещения отражателя вдоль всей дистанции, которая измерится, требует сооружения точных направляющих, смонтированных на бетонных сопротивлениях, которые технически сложно и дорого. Поэтому лазерные интерферометры используют на специально создаваемых метрологических базисах, которые используются для калибрования электронных віддалемірів. Максимальная дальность действия промышленных лазерных интерферометров составляет 60м, поэтому базисы делают многосекционными, и длина их может доходить до сотен метров.

 

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

 

1. В интерферометре с двочастотним лазером при движении отражателя возникает допплерівське сдвиг частоты, которая равняется 2V/λ. Что такое V?

2. В которых интерферометрах возникает интерференционная картинка, которая бежит, при недвижимом отражателе?

3. Почему равняется различие показов счетчиков полос в опорном и сигнальном каналах двочастотного интерферометра при движении отражателя?

4. Как определить число N в интерферометрах с двочастотним лазером?

5. Какое радиоизлучение принимается в методе РНДБ?

6. Какие черты характерные для РНДБ?

 

Радіоінтерферометрія со сверхдлинной базой (РНДБ)

 

В отличие от оптической інтерферометрії, реализованной на коротких расстояниях, метод РНДБ используется для измерения очень больших расстояний (к тысячам километров) и есть, в совокупности с лазерной спутниковой віддалеметрією, основным методом при создании глобальной геодезической сети. В геодезію этот метод пришел из радиоастрономии, где наблюдательной аппаратурой, которая используется, есть радіотелескоп.

Радиоинтерферометр составляется с двух радиотелескопов, которые разнесли на сотне или тысячи километров и спостерігаючих один и тот же квазар – квазизвездный внегалактический источник шумового радиоизлучения с чрезвычайно широким спектром. Квазары находятся на расстояниях от Земли у десятки и сотни миллионов световых лет, то есть практически в бесконечности, и потому радиоволны, которые приходят от квазара имеют идеально плоский фронт, а сигналы, которые поступают на оба радиотелескопы идут по строго параллельным путям. Эти шумовые сигналы абсолютно идентичные, но приходят на радиотелескопы с некоторой временной задержкой t относительно друг друга, обусловленным различием расстояний DS от радиотелескопов до квазара.

 

Рис.5.3. Объяснение к методу РНДБ

Геометрия РНДБ показана на рис.5.3. Линию, которая совмещает центры антенн радиотелескопов 1 и 2, называют вектором базы D. Он есть одним из основных определяемых параметров и может быть выражен через три различия одноименных координат точек 1 и 2. Из рис.5.3 видно, что длина вектора D равняется DS/cosb, а поскольку DS = vt, то t = (D/v)cosb, то есть задержка t содержит информацию о длине D. Эта задержка измеряется корреляционным методом: на обеих радиотелескопах шумовые сигналы от квазара записываются на широкополосные магнітофони (видеомагнитофоны) и потом эти записи сводят вместе на кореляторі, зсовуючи одну запись относительно другого к получению максимума корреляционной функции К₁₂, соответствующего момента t = 0. Величина нужного временного сдвига дает искомое значение задержки t. При этом измерения осуществляются тем точнее, чем уже(острее) максимум корреляционной функции, а он тем гостріший, чем шире спектр записываемых сигналов, то есть чем меньше их когерентность.

Через обращение Земли различие хода DS, а следовательно, и задержка t периодически меняется с некоторой частотой. Эту частоту называют частотой интерференции f. Она пропорциональная скорости изменения задержки (то есть производной dt/dt) и тоже измеряется. За вымеренными величинами t и f можно получить различие хода DS и ее изменение во времени. Величина DS является функцией радиус-векторов пунктов 1 и 2 и напрямую на квазар. Не рассматривая здесь аналитические соотношения, отметим лишь, что метод РНДБ позволяет определить длину вектора базы с ошибкой 2-3см и направление на квазар с точностью до 0,001 угловой секунды по обеим угловым координатам.

Записи сигналов на радиотелескопах должны быть привязанный к единой шкале времени, для чего часы на обеих станциях необходимо по возможности точнее синхронизировать. Это осуществляется с помощью местных независимых стандартов частоты и времени, которые контролируются по високостабільному атомному эталону – водородному мазеру с относительной нестабильностью 2·10^-14 за добу . Мазер – це аналог лазера, що працює в радіодіапазоні на частоті» 1,4 ГГц (довжина хвилі 21 см), а нестабільність 2·10^-14 означає, що відхід такого «годинника» складає 0,4 секунди за мільйон років. Мітки часу записуються на магнітофони одночасно із записом радіосигналів на обох станціях РНДБ, і саме по зсуву однойменних міток визначають затримку t при кореляційній обробці записів.

В радиотелескопах используются повноповоротні параболические антенны, диаметр которых может составлять от 20 до 70 метров. Телескопы работают в нескольких отдельных диапазонах частот, которые охватывают интервал длин волн от нескольких миллиметров к почти одного метра. Приемочные системы радиотелескопов владеют очень высокой чувствительностью. Чтобы свести к минимуму шумы внутри аппаратуры, усилителе сигналов, которые принимаются, охлаждаются к температуры 15 К.

По поводу РНДБ как інтерферометричного метода уместно отметить следующее. Необходимо четко представлять себе, что, в отличие от рассмотренного выше оптического случая, непосредственной интерференции радиоволн в РНДБ не наблюдают, так как ее просто нет. Она была бы, если бы два сигнала от одного источника, прошедши разные пути, приходили на один приемник (телескоп), на котором и наблюдалась бы интерференция. Но эти сигналы приходят на два отдельных телескопа, огромное расстояние между которыми не позволяет непосредственно наложить сигналы один на один (как это делается, например, в известном звездном интерферометре Майкельсона с помощью системы зеркал). О какой же интерференции речь идет?

Вещь в том, что в результате обработки мы получаем такой же результат, вроде как наблюдали интерференцию на одном радиотелескопе с диаметром антенны, равным длине базы D - расстояния между двумя радиотелескопами. Поэтому фактически мы имеем здесь случай, который можно назвать синтезированной интерференцией, индикатором которой служит появление сигнала на выходе корелометра при достаточно близкому совпадению записей. Этот сигнал при сдвиге записей прописывает корреляционную функцию, которая имеет максимум при t = 0. В этот момент входные сигналы когерентные и исходный сигнал корелометра аналогичный тому, который вышел бы при непосредственной интерференции широкополосных сигналов, которые поступают на антенны двух радиотелескопов. Именно в этом значении следует понимать интерференционный механизм РНДБ.

Высокая точность метода РНДБ обусловлена тем, что использование двух разнесенных антенн, дает раздельную способность, эквивалентную такой же для одной антенны с огромной апертурой (диаметром), что равняется длине базы.

Общая схема реализации РНДБ показана на рис.5.4.

Рис.5.4. Общая схема реализации метода РНДБ

Радіоінтерферометрія со сверхдлинной базой, кроме создания глобальной геодезической сети, используется для решения многих задач геодезического и геофизического характера (при определении параметров обращения Земли, изучении движения літосферних плит, действия приливных сил и т.д.).

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

 

1. Какие параметры измеряются в РНДБ?

2. При какой уму точность измерений задержки между сигналами, которые попадаются на два радиотелескопа, наиболее высокая?

3. С какой ошибкой определяется длина вектора базы в методе РНДБ?

4. Какая непосредственная интерференция радиоволн в РНДБ?

5. Чем обусловленная высокая точность метода РНДБ?