автореферат диссертации по геодезии, 05.24.01, диссертация на тему:Разработка перспективных методов метрологического обеспечения линейных измерений в геодезии

московский государственный университет геодезии и картографии

На правах рукописи

РГб од

- 1 ОКТ «95

ЧЕХОВСКИЙ АЛЕКСАНДР МИХАИЛОВИЧ

УДК 528.021:389.64:531.719

разработка перспективных методов метрологического обеспечения линейных измерении в геодезии

05.24.01 - Геодезия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1995

Работа выполнена на кафедра высшей геодезии Московского Государственного Университета геодезии и картографии.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

' А.Н.. ГОЛУБЕВ Официальные оппоненты - доктор технических наук Л.С. ШОШЕВ

кандидат технических наук A.C. СУШКОВ

Ведущая организация - указана в решении совета МосГУГК.

Защита диссертации состоится "(¡¡"сдгсГр* 1995 года в ^-'час. на заседании специализированного совета K-063.0I.0I в Московском Государственном Университете геодезии и картографии по адресу: 103064, Москва, К-64, Тороховский пер., 4, МосГУГК, ауд.321.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МосГУГК.

Автореферат разослан "18 " сенглЕр* 1995 года.

Ученый секретарь

специализированного Совета

В.А. МОНАХОВ

-з-

0б1цая характеристика работы

Актуальность темы. С повышением инструментальной точности дальномеров и интенсивным развитием спутниковых геодезических систем резко обострилась проблема метрологического обеспечения линейных измерений.

Как известно, основой метрологического обеспечения линейных измерений является научно обоснованная и практически реализованная система передачи размера единицы длины от эталонов рабочим средствам измерений (РСИ), регламентируемая поверочной схемой. Эксплуатируемые до настоящего времени системы передачи размера единицы длины в область больших и сверхбольших длин (включая характерный для геодезических, работ диапазон, простирающийся от метров до десятков километров) обеспечивают точность передачи в лучшем случае (145)10-7 для расстояний до 20 км, однако уже сейчас геодезисты располагают средствами линейных измерений, инструментальная точность которых на порядок превышает указанную выше.

В специальной литературе неоднократно отмечалось, что действующие в области линейных измерений поверочные схемы (ГОСТ 8.020. 75.ГСИ и ГОСТ 8.503.84.ГСИ) не отвечают современным требованиям к точности передачи-и обладают множеством недостатков - в частности, многозвенностью, отсутствием прямой связи с единым эталоном времени-частоты-длины. (ВЧД). Таким образом, особую актуальность приобретает задача по разработке новой передаточной структуры и пове-рочой схемы, которая должна отвечать следующим требованиям:

- содержать минимум промежуточных звеньев;

- все звенья должны быть надежно, связаны с единым эталоном ВЧД;

- должна быть обеспечена максимально" достижимая точность передачи размера единицы длины между звеньями;

Целью диссертационной работы является разработка концепции построения системы передачи размера единицы длины от эталонов рабочим средствам, а также разработка и исследование необходимых для ее реализации методов и средств высокоточных линейных измерений.

Основные задачи исследования. В соответствии с поставленной целью необходило решить следущие задачи :

I. Разработать принципы построения новой передаточной структуры, отвечающей установленным выше требованиям; .

• 2. Исследовать возможности создания, абсолютного лазерного интерферометра, способного измерять расстояния до 100 и более метров с максимально возможной точностью;

3. Исследовать пробледу учета влияния атмосферы на интерференционные измерения эталонных длин и разработать'способы такого учета;

4. Исследовать инструментальные возможности увеличения'длины эталонных интерференционных базисов.

Метода исследований. Изучение состояния проблемы осуществлялось путем анализа отечественной и зарубежной специальной литературы. Предложенные в работе решения проверены методом численного моделирования", а их реализуемость подтверждается экспериментом, расчетами и точностными оценками, опирающимися на данные известных экспериментальных разработок.

Новые научные результаты:

1. Разработан проект поверочной схемы для средств измерений- длины в диапазоне 0+30000 м. Основой предлагаемой схемы метрологического обеспечения является абсояатный. интерференционный базис наивысшей точности длиной I кы, погрешность измерения которого не превышает 1»10~°.

2. Разработаны принципы построения оптимальной волновой иерархии для абсолютного интерферометра с многоволновым источником излучения и алгоритм вычисления расстояния.

3. Предложен ряд технических решений абсолютного интерферометра, •• способного измерять расстояния до 100 и более метров.

4. Впервые применительно к интерферометрии перемещений'предложен и . разработан трехвомювьй вариант дисперсионного летода с исполъ

эовошел третьей'оптической частоты в. Ш-=&иапазанв спектра.

5. Впервые предложен и разработан летод оптического улнохешя рас-■ стояния на основе лазерной импульсной интерферометрия.

6. Впервые разработан дальномарный вариант трехволнового дисперси-. онного .метода с использованием третьей несущей в ИК-диапазоне

спектра й предложено техническое решение трехволнового дальномера с YAG- и СОг-лазераш.

фактическая ценность. Предлагаемая система метрологического обеспечения в случае ее реализации позволит производить калибровку практически всех существующих и разрабатываемых средств прецизионных линейных измерений в диапазоне длин 0+30 км, инструментальная точность которых превышает Ю"7.

Основше положения, предетявляемые к защите.

1. Концепция развития метрологического обеспечения линейных измерений в геодезии;

2. Разработка методов и средств для абсолютных интерференционных измерений больших длин;

3. Разработка трехволнового дисперсионного метода в оптическом диапазоне спектра;

4. Разработка метода оптического умножения расстояний на основе лазерной импульсной интерферометрии.

Апробация. Основное содержание диссертации и результаты выполненных исследований докладывались на научно-технических конференциях и опубликованы в работах, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа■изложена на 167 страницах машинописного текста, включая 34 рисунка, 12 таблиц, 5 страниц приложения. Список литературы содержит 144 наименования, из которых 68 на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния метрологического обеспечения линейных измерений. Показано, что погрешность реализации размера единицы длины действующими эталонами не превышает 10"°, однако, из-за несовершенства методов и средств передачи размера единицы от эталонов рабочим средствам измерений в область больших длин эта-погрешность возрастает до Ю-7 и выше. Эксплуатируемые до настоящего времени метрологические передаточные структуры, основанные на применении концевых и штриховых мер обеспечивают передачу размера единицы длины с погрешностью до 10~в, неприемлемой для калибровки высокоточных средств линейных измерений. Современный подход к построеншо передаточных структур основывается на применении лазерных интерферометров и прецизионных дальномеров, что позволяет повысить точность передачи до Ю~7, требуя при этом значительных затрат, однако и такой точности недостаточно для калибровки дальномеров и аппаратуры спутниковых геодезических

систем. Наиболее точным средством в метрологии линейных измерений является лазерный интерферометр перемещений, однако, фактором, лимитирующим его точность является несовершенство методов учета влияния внешних условий на результат измерений.

Для усовершенствования структуры метрологической цепочки и повышения точности передачи в ее отдельных звеньях предложено заменить интерферометр перемещений абсолютных интерфералетрол, не требуыцим прокатки отражателя, т.е. измеряющим не величину перемещения, а сразу всю длину, которая и Судет представлять собой эталонный базис. При этом должны быть закреплены лишь конечные точки базиса и отпадает необходимость в трудоемкой постройке направляющих на всю его длину, а оперативность измерений резко возрастает. Точность и дальность абсолютных интерференционных измерений могут быть значительно повышены при вакуулцроватш излэртэлъного плеча интерферометра. Интерферометр перемещений в этом случае не мохет использоваться, т.к. обеспечить передвижение отражателя по всей длине измеряемой дистанции в вакуумированном канале чрезвычайно сложно. Кроме того, за время прокатки геометрическая длина мокет измениться на величину, соизмеримую с резко увеличившейся в результате вакуумирования трасск чувствительностью интерферометра к вариациям этой длины.

Опыт эксплуатации геофизических длиннобазовых стрейн-интерфе-рометров показывает, что при вакуумировании измерительного плеча длиной I км разрешение интерферометра достигает величины порядка 10-2А. (А. -длина волны излучения). Соответственно, следует ожидать, что точность измерения километрового базиса абсолютным интерферометром с вакуумированным плечом будет характеризоваться величиной КГ^-Ю-". При этом контроль длины базиса может производиться одновременно с исследованием поверяемых РСИ.

На основании выполненного анализа состояния метрологического обеспечения линейных измерений в работе предложена концепция построения системы передачи размера единицы длины от эталона рабочим средствам измерений, главную идею которой составляет предложение об использовании абсолютного итерферолгтра о вакуухированныл из-лертеммл каналол в качестве основного передаточного звена. Такой интерферометр позволит построить базис длиной I км, измеряемый с точностью на уровне 10"* и пригодный для многих практических целей. Для исследования дальномеров в пределах полного рабочего диа-

пазона и калибровки аппаратуры' спутниковых геодезических систем (СГС) длина базиса может быть увеличена до 15*30 км с помощью про-эталонированного на абсолютном базисе трехволнового дисперсионного далънолера, обеспечивающего коррекцию измерений за показатель преломления воздуха и получение геометрической длины с точностью порядка (1+5)10"*.

При создании новой национальной поверочной схемы необходимо исходить из сложившихся традиций построения системы метрологического обеспечения, а именно, делания всех РСИ на группы по дальности действия и проведения аттестации этих средств в разных организациях, кавдая из которых отвечает за свой диапазон длин. Следует также учитывать, что помимо прецизионных дальномеров большой дальности действия, спутниковых дальномеров и аппаратуры СГС, существуют достаточно специфические средства измерений длины, создаваемые для использования во многочисленных отраслях машиностроения, однако, до сих пор не охваченные действующими поверочными схемами. Среди электронных Ч>СИ, требующих калибровки в диапазоне длин до 100 м, следует назвать дальномеры-профилометры, координатно- измерительные системы, включая интерференционные, "танк-радары" и т.д.

Предлагаемую для этого случая передаточную структуру можно представить в виде трех, связанных с единым эталоном ВЧД, и в то же время, самостоятельных частей, как показано на рисунке I.

Первая часть предназначена для метрологического обеспечения средств измерения длин до 100; м. Основным передаточным звеном , в этой части схемы является продольный колтарстор (базис переменной длины), причем его размер монет быть выбран кратным численному значению скорости света в вакууме или в стандартной атмосфере (например, 119,916983 м), фиксируя тем самым определенный временной интервал и соответствующую частоту. В качестве образцовых средств измерений СОСИ) могут быть предложены трехвблновьй интер-феролетр перемещений с точностью (1+3)10~в или абсолютный интерфе-ролетр с изолированных от атмосферы. излерителъкыл плечол, для которого может быть получена точность (3+5)10"®.'

Вторая. часть передаточной структуры предназначается для обеспечения дальномерных измерений в диапазоне длин 0,1-1000 м Основным звеном в этой части схемы является ващ/ухированный абсолютный ижерференционжй Оазис наивысшей точности., измеряемый. абсолютныл интерферолетрол с точностью не ниже 1«Ю~в.

Рис.1.

Третья часть схемы предназначена для аттестации РСИ, дальность действия которых превышает I км, в частности, геодезические дальномеров и аппаратуры CEC. Основным звеном этой, части передаточной структуры является эталонный базис длиной 15+30 км, который измеряется шрехболновыл лазерных бсиънолерол с точностью не ниже (3+5)10"".'

На базе представленной концепции был разработан проект поверочной схемы для Средств измерений больЬих длин, основные полоке-ния которого приводятся в работе.

Во второй главе исследуется возможность построения лазерного интерферометра, способного измерять расстояния до 100 и более метров без прокатки отражателя, в частности, изложены принципы абсолютной интерферометрии, разработана аналитическая процедура построения волновых иерархий для интерферометров с С0г-лазером, предложены технические решения абсолютного интерферометра.

К настоящему времени известны несколько методов, которые могут быть использованы при создании лазерного интерферометра для измерения абсолютного расстояния: метод фиксированных оптических частот, метод перестройки частоты излучения, метод подстраиваемых частот и метод измерений на синтезированных длинах волн.

Почти все метода абсолютной интерферометрии являются аналогами методов фазовой дальнометрии и общее в них то, что для определения расстояния измерения должны быть выполнены не менее чем на двух оптических частотах.' Поэтому специфика абсолютного лазерного интерферометра заключается в использовании нескольких лазеров, либо одного лазера, способного генерировать на нескольких оптических частотах. Таким образом, выбор лазера, (или лазеров), построение волновой иерархии, (аналог сетки масштабных частот в фазовой дальнометрии), позволяющей однозначно определить расстояние, а также генерация, стабилизация, идентификация лазерных частот и техника фазовых измерений - все это проблемы, которые должны решаться при построении абсолютного интерферометра.

Анализ известных нам работ по абсолютной интерферометрии показывает, что ключевым моментом, определяющим точность и диапазон интерференционных измерений, является построение волновой иерархии. В ранее используемой классической процедуре метода совпадения дробных частей порядков интерференции измеренные значения дробных частей сравнивались с предвычисленшми' и йо их совпадению определялось расстояние. Современные интерпретации,метода позволяют избавиться от необходимости трудоемких предвычислений значений расстояния и соответствующих им дробных частей, позволяя получить его точное значение путем последовательных приближений с использованием волновой иерархии. При этом выбор оптических длин волн, подходящих для иерархии, осуществляется способом "проб и ошибок".. Именно такой подход был использован в известных экспериментальных разработках абсолютного интерферометра, где построение волноеых иерархий осуществлялось методом проб, что привело к ошибкам в оценке возможностей созданных приборов и несовпадению ожидаемых и порченных экспериментальным путем результатов.

В работе ' предложена методика, которая позволяет выбрать необходимые для интерферометра длины волн, исходя при этом лишь из начальной (приближенной) оценки измеряемого расстояния. Принцип действия этой методики продемонстрирован. на примере построения

оптишъной волновой иерархии для интерферометра с С02-лазером. С учетом энергетической характеристики лазера выбраны четыре линии колебательно-вращательной полосы с центром 9,4 мкм - R(28), R(24), R(20), Р(зб). Эти длины волн образуют иерархию с уровнями 9,23 мкм - 192 мкм - 4 мм - 9,5 см, позволяющую разрешить неоднозначность для расстояния 100 м, значение которого предварительно измерено с точностью до 2,3 см (что может быть обеспечено любым светодально-мером), значения длин волн известны с точностью 1*10~°, а погрешность измерения дробных частей не превышает 0,04.

Полученная иерархия проверена путем численного моделирования работы интерферометра на дистанции 101 м. Для этого разработан простой и удобный алгоритм вычисления точного значения расстояния.

Во второй главе также предложены некоторые технические решения абсолютного интерферометра.

Одно из них - С0г-интерферометр с авпопоОстройкой оптических частот - основано на том, что генерируемые лазером в заданной последовательности частоты излучения автоматически подстраиваются и на каждой из них порядок интерференции становится равным целому числу. Преимущество такого решения в том, что при работе на атмосферных трассах выгоднее, поддерживая фазу интерференционного сигнала автоподстройкой, измерять соответствуйте частотные сдвиги, чем измерять дробные части. При этом невозможны фазовые просчеты и автоматически отрабатываются изменения оптической длины трассы.

Далее исследуется возможность применения в интерферометре С02-лазера, работающего в режиме одновременной генерации двух частот, что позволяет расширить диапазон интерференционных измерений до нескольких сотен метров, не требуя при этом повышения стабильности генерируемых лазером частот, и предложена лазерная измерительная система- далънолер-ишерферолетр для построения протяженных интерфервнщюнных базисов. Дальномер в такой системе служит для приближенной оценки измеряемого расстояния, интерферометр же позволяет уточнить его значение. Так, используя в С02-интерферометре режим попарной генерации на трех линиях в полосе с центром 10,6 мкм - Р(22), Р(20) и R(22) - можно построить волновую иерархию 5,5 км - 300 мюд - 10,6 мкм, позволяющую уверенно разрешать неоднозначность для расстояния I км, если значения частот известны с погрешностью I-I0"10, а погрешность фазовых измерений порядка Ю-2* 1<Г*. При этом для дальномерных измерений достаточна точность по-

рядка 1,4 мм, в целом кр инструментальная точность системы дальномер-интерферометр составит 0,1-0,01 мкы, (необходило заметить, что такая точность ложет быть получена лишь в случае вакуулиро вания измеряемой дистанции). Для расстояний, измеренных дальномером с погрешностью 0,05+0,1 мм, достаточно одной пары частот, синтезирующих волну порядка 200+400 мкм.

В развитие идеи использования С02-лазера, генерирующего в двухчастотном режиме, предложено решение ишерферолетра для измерения больших расстояний- на синтезированных длинах волн. Приводятся схемы обработки интерференционных сигналов, позволяющие работать на синтезированной длине волны (получаемой при одновременной генерации пары оптических длин волн), измеряя контраст двух-волновой интерференционной картины. Предусмотрев возможность генерации двух пар длин волн, дающих синтезированные волны 5,5 мм и 300 мкм, можно обеспечить точность измерения на уровне микрометров для расстояний более 100 м. Так, при регистрации экстремумов контраста с тцчностью 1%, погрешность определения расстояния не превысит, соответственно, 9 мкм на длине волны 5,5 мм и 0,5 мкм на длине волны 300 МКМ.

, Одним из преимуществ С02-интерферометрии является возможность измерений в условиях турбулентной атмосферы, обусловленная на порядок большей, чем у излучения видимой части оптического спектра, длиной волны. С другой стороны, при ограадении•или-вакуумировании трассы для измерения больших расстояний можно использовать лазеры, генерирующие излучение в видимом диапазоне спектра. Однако, многоволновые лазеры, например, ионные на Аг или Кг, не обладают необходимой для измерения больших расстояний стабильностью частоты. В работе предложено решение интерферометра для абсолютных измерений с высокостабильным одночастотным Не-Ке/^-лазером. Необходимые1 для разрешения неоднозначности дополнительные оптические частоты образуются в результате СВЧ-модуляции излучения лазера. Показано, что такой способ измерений может быть применен к любым лазерным частотам, для которых существуют СВЧ- модуляторы, и позволяет напрямую, без промежуточных ступеней, связать измеренную длину со стандартами частоты оптического и радиодиапазона.

Практическая реализуемость всех предложенных -в диссертации решений абсолютного интерферометра обоснована математическим анализом и точностными оценками, опирающимися на данные известных

экспериментальных разработок в области абсолютной интерферометрии.

В третьей главе рассматриваются некоторые волосы учета влияния атмосферы в метрологической интерферометрии и исследуется возможность использования в интерферометрии дисперсионного метода.

Предложенная в работе поверочная схема предусматривает метрологическое обеспечение средств измерения длины в диапазоне до 100 и, таких как промышленные лазерные интерферометры, дальномеры-про-филометры, уровнемеры, пространственно-координатные системы. Для исследований и поверок подобной аппаратуры может быть использован компаратор на основе лазерного интерферометра перемещений. Однако, точность интерференционных измерений зависит от точности определения осредненного вдоль трассы показателя преломления воздуха. Как правило, его значение получают из результатов одновременных многоточечных измерений метеопараметров, что обеспечивает погрешность на уровне (]>5)10~7. В целом же, результирующая погрешность эталонных измерений оказывается не меньшей, чем у поверяемых средств, и работа над ее снижением идет по пути совершенствования аппаратурных методов учета влияния атмосферы.

Анализ аппаратурных методов учета влияния атмосферы на точность измерений в интерферометрии перемещений показал, что наиболее перспективным является дисперсионный метод. Как известно, этот метод ,в двухволновом варианте был разработан и реализован применительно к лазерной дальнометрии. Несмотря на существование ряда принципиальных ограничений, в последнее время появились экспериментальные исследования, продемонстрировавшие практическую реализуемость двухволнового метода в интерферометрии.

Однако, в двухволновом варианте метода сохраняется необходимость метеоизмерений в конечных точках трассы, а точность ограничена величиной порядка 1*10"^ из-за недостаточной точности определения интегральной влажности воздуха. Эти ограничения снимаются при использовании трехволнового варианта дисперсионного летода, который позволяет определить интегральный показатель преломления <п> через разности оптических путей, содержащих всю необходимую информацию об <п>.

Основой для разработки трехволнового метода в оптическом диапазоне спектра послужили выполненные в наш (Япония) исследования преломлящей способности водяного пара для ИК-излучения, в которых была обнаружена ее аномалия в районе 3,4 мкм и 10,6 мкм.

Так, измеренные значения показателя преломления водяного пара для ряда волн, излучаемых СОг-лазером, оказались на 30% меньше значений, полученных по дисперсионному уравнению, экстраполированному от видимой области оптического спектра. Этот результат позволил предложить С02-лазер в качестве источника излучения для трехволно-вого интерферометра-рефрактометра.

Основное уравнение трехволнового рефрактометра имеет вид:

D =S-A(S -S )-B(S-S), (I)

Kopp 1 2 ± 9 ± * '

где S{(£=1,2,3) - оптические пути, А и В - коэффициенты коррекции:

где n0i и |i0i - фазовые показатели преломления сухого воздуха -и паров воды в стандартных условиях. Учитывая, что где

значения длин волн в вакууме, и р- соответствумцие им порядки интерференции, получим:

К К К К К

W -¡г Р.- Р,- -Г PJ - Рш- PJ- .

Отсюда

°коРР= -Г" ^'Р. - - <3>

где А'=А+В+1, kzi=\/\, . или

D = -Ь- р

корр ¿г *корр

где р = Л'р - v - Bk р .

"корр г, 21 '2 31^3

Таким образом, для получения корректированного значения расстояния достаточно располагать точными значениями длин волн К>К<К и измерить на кавдой из них порядки интерференции р.. В таблице I приведены значения индексов преломления Яо=(по-1 )юй и *„=(ц<>-1 )Юв и коэф&щиентов коррекции Л и В для различных вариантов трехволнового интерферометра.

Таблица 1.

Лазеры и длины волн, мкм 1)10" А,

\ \ К 1)10" В

Не-Ие Не-са С02(Р20) 371 ,839 276 063 268,017* 66 605

0.633 0,44 10,59 3 ,021 3 102 2,077* 2 500

Не-Ие Не-Сй. г<юг 369 ,143 267 063 268,017* 39 267

1,15 0,44 10,59 2 ,972 3 102 2,077* 2 349

Не-Не НеЧМ со2 367 ,417* 276 063 268,077* 30 538

3,392 0,44 10,59 2 ,868* 3 102 2,077* 5 397

Не-Не Г Не-Ые со2 267 ,417* 271, 839 268,077* 59 358

3,392 0,633 10,59 2 * ,868 3 021 2,077* 7 ,851

Не-Ые Аг С0г(Г22) 267 ,417 273 885 267,976* 40 ю СО

3,393 0,512 10,611 2 ,868 3 060 2,063* |_................, ... 6 ,1370

ТА(1/1 УАО/П С02 269 ,300 273 437 267,976* 65 ,7940

1,064 0,532 10,611 2 ,976 3 051 2,063* 2 ,1816

"^Значения ¿У0 и Мс получены в результате прямых измерений, выполненных в №Ш (Япония).

ЧтоСы убедиться в работоспособности трехволновой системы, для некоторых ее вариантов было выполнено численное моделирование коррекции измеряемого расстояния в произвольных атмосферных условиях. Показано, что при использовании лазеров, для которых нестабильность частоты не превышает Ю-10, расстояния .порядка 200 м могут быть измерены в открытой атмосфере с точностью лучшей, чем 1«10~*. При этом необходимость в каких-либо метеоизмерениях отпадает.

В работе предложено решение трехволнового интерферометра с двумя лазерами' - УАС/Ый3" и сог/со2, приводятся его оптическая схема, структурная схема обработки интерференционных сигналов, а также схема стабилизации частоты УАв-лазора. Показано, что использование 1-ой и • 2-ой гармоник излучения УАО-лазера позволяет снизить требования к стабильности его частоты.

В четвертой главе рассматриваются возможности, увеличения длины эталонных Оазисов. Здесь предложено решение интерферометра с импульсным лазером, реализующее метод оптического умножения эталонной длины и выполнен эксперимент по использованию импульсного

лазера при интерференционных измерениях. Также исследованы возможности построения трехволнового лазерного дальномера для измерения расстояний до 30 ки в открытой атмосфере с относительной погрешностью, не превышающей (3+5)10"".

Как известно, для построения высокоточных базисов длиной порядка I км используется предложенный Вяйсяля летод оптического умножения расстояния, основанный на применении интерференционной схемы, обеспечивающей точное выравнивание оптических путей в двух плечах интерферометра, длина одного из которых известна. Специфическими особенностями данного метода являются: 1) использование источника излучения с минимальной временной когерентностью для достижения субмикронной точности выравнивания длин плеч в интерферометре, и 2) применение в опорном плече многоходовой оптической линии задержки (ОЛЗ), расстояние между зеркалами которой (база) задается эталоном длины. Такой метод обеспечивает высокую точность измерений, но чрезвычайно сложен в реализации.. В его последующих модификациях процесс измерений удалось несколько упростить, однако дальность действия интерферометра снизилась до 200+300 м.

В работе предлагается принципиально новое решение ишерферо-летра с низкокогерентныл источником света, основанное на использовании ультракоротких илпульсов (УКИ). Благодаря некоторым спектральным свойствам" импульсного лазерного излучения можно измерять расстояния порядка I км и более с интерференционной точностью в один прием.Это становится возможным, если использовать лазер, генерирующий мощные УКИ света, в качестве источника низкокогерентного излучения в схеме оптического умножения расстояния.

Как известно, длительность оптического импульса и время его когерентности определяются шириной спектра генерируемых колебаний. Так, для УКИ длительностью I по длина когерентности составляет -300 мкы. Если направить такой импульс в равноплечный интерферометр, то на его выходе можно наблюдать интерференционную картину, контраст которой определяется длиной когерентности. Тогда, при настройке на максимум контраста с точностью 1%, длины плеч в интерферометре можно выравнять с точностью до 3 мкм. При использовании более коротких импульсов точность выравнивания плеч может быть и выше. Однако следует учитывать, что техника получения одиночных импульсов длительностью 10~"+ Ю-1" пока еще сложна и при использовании таких импульсов возникает проблема предварительного вырав-

нивания длин плеч в интерферометре. Так, при %и= I по измеряемое расстояние должно быть заранее известно с ошибкой не более 150 мкм, что не обеспечивается даже точным дальномером.

С другой сторон^, достаточно хорошо отработана техника получения УКИ при пассивной синхронизации мод в твердотельных лазерах на рубине, алюмоиттриевом гранате и неодимовом стекле. В этих лазерах получают импульсы длительностью порядка 15+50 пс. На первый взгляд, такие импульсы слишком велики для рассматриваемого здесь применения. Так, для импульса длительностью 30 ire длина когерентности должна составлять ~9 мм, и, если контраст интерференционной картины измерять с погрешностью 1%, точность выравнивания длин плеч в интерферометре составит всего 90 мкм. При этом измеряемая длина должна быть предварительно известна с точностью 4,5 мм, что может быть обеспечено любым топографическим дальномером.

Однако, известны способы получения УКИ излучения со сворхши-роким спектром, подобным спектру белого света. Такое излучение получило название пикосекундного контшуула. Источники континуума являются, по сути, источниками широкополосных шумовых импульсов, ширина спектра которых достигает 10э+ 10* см-1, а длительность -несколько пикосекунд. Импульсы континуума получают при фокусировании мощного лазерного ps-импульса в ячейку с нелинейной средой. При этом длительность - преобразованного УКИ и его поляризация не изменяются. Следовательно, лазер, генерирующий УКИ, можно использовать в качестве источника низкокогерентного излучения в интерферометре для измерения расстояния методом оптического умножения. По сравнению с традиционными источниками - лампами накаливания и полупроводниковыми лазерами - он обладает несравнимо большей мощностью излучения (достигающей 10% 10е Вт, если в континуум преобразуется всего 10% энергии импульса накачки), что позволит измерять расстояния до I км и более.

Другим преимуществом интерферометра с ps-импульсным лазером является простота конструкции опорного плеча, поскольку вместо многоходовой ОЛЗ можно использовать•коаксиальную ОЛЗ, выполненную по типу двухзеркального резонатора Фабри-Перо. При этом оптическая длина опорного плеча L определяется выражением:

L = т 10 по ,

где т - число проходов импульса, расстояние между зеркалами ОЛЗ (база), по- показатель преломления воздуха, равный 1 в случае

вакуумирования ОЛЗ. Необходим&сть в подсчете числа проходов импульса в опорном плече интерферометра отпадает, если измеряемое расстояние известно с точностью до lt/4.

Далее в работе приводится решение интерферометра с источником континуума и рассматриваются некоторые вопросы его реализации.

Поскольку разработанное решение интерферометра основано на предположении, что время когерентности импульса континуума мало и позволяет достигать высокой точности уравнивания длин плеч в интерференционной схеме типа Вяйсяля, был поставлен эксперимент, целью которого являлось подтверждение практической, реализуемости интерференционных измерений с использованием оптических ультракоротких импульсов. Эксперимент выполнен в Лаборатории фотоники молекул Отдела квантовой радиофизики ФИАН, где была собрана установка, вклю-чавдая в себя лазерный источник излучения и интерферометр Твайма-на-Грина. В качестве источников излучения использовались разработанный в ФИАН YAG/Nd3* лазер с синхронизицией мод посредством внесшей оптоэлектронной отрицательной обратной связи (ООО) и YAG/Nd3* лазер с пассивной синхронизацией мод на красителе.

После этапа настройки лазер с ООО генерировал цуг из 8 импульсов длительностью 100 пс, следовавших с интервалом 8 не и частотой повторения I Гц. После усиления энергия цуга была измерена калориметрическим измерителем мощности и энергии лазерных импульсов ИМО-2Н и составила 40 мДх. Излучение лазера через линзу с /=10 см фокусировалось в 5-см кювету с водой, на выходе, которой был получен белый свет. С помощью установленной за кюветой системы призм был развернут спектр, вид которого подтвердил, что наблюдаемое излучение и есть континуум.

Поскольку регулярность появления континуума оказалась недостаточной для проведения измерений были приняты меры по сокращению длительности импульсов и увеличению их пиковой мощности. Лазер на 00С был переделан в лазер с пассивной синхронизацией мод на красителе, генерировавший цуг из 5 импульсов с длительностью каждого 25 по. После усиления энергия цуга была измерена и составила более 70 иДж. Излучение фокусировалось линзой с фокусным расстоянием /= 67 см в 10-ти см кювету с водой. Регулируя мощность излучения лазера удалось получить устойчивую генерацию континуума без возникновения оптического пробоя в воде. По измерениям энергии вЛлны накачки была определена необходимая для генерации континуума -плотность мощ-

ноаш излучения, которая составила 2,Ы01О+1>1«1011 Вт/ом2. Проходящее через кювету вместе с континуумом излучение волны накачки (1,06 мкм) было родавлено фильтром. Средняя энергия оставшегося после фильтра излучения континуума составила 0,6 мДж.,

Для измерения длины когерентности континуума за одну вспышку лазера свет континуума был пропущен через оптический фильтр, увеличивающий когерентность излучения, а интерферометр настроен так, чтобы фронты интерферирующих волн пересекались лишь в одной точке. В этом случае интерференционная картина в высоких порядках представляла собой ряд полос, контраст которых'снижался до нуля вправо и влево от центральной полосы. Длина когерентности определена через число полос между минимумами котраста умноженное на среднюю длину волны света (0,55 мкм) и составила 8 мкм. После снятия фильтра в интерференционной картине наблюдалась ахроматическая полоса, окаймленная несколькими цветными полосами. При изменении разности хода в пределах 2,5 мкм цвет полос' менялся, а их контраст снизился до нуля. По результатам измерений был построен график- зависимости изменения контраста интерференционной картины от разности хода в интерферометре.

Далее, настроенный в белом свете континуума интерферометр использовался для определения точности установления нулевой разности хода, которая при визуальной регистрации контраста картины составила 3 мкм. С помощью интерферометра была измерена длительность генерируемых лазером импульсов 2-ой гармоники, составившая 25 .пс, Также был выполнен эксперимент по использованию фотоэлектрической регистрации при настройке интерферометра.

Таким образом, в результате экспериментальных исследований на основе пикосекундного импульсного УАС/шэ+-лазера был создан источник мощных УКИ квазибелого света (континуума), который может быть применен в интерферометрах типа Вяйсяля при построении эталонных базисов методом оптического-умножения расстояния. Высокая мощность излучения континуума (до 10е Вт) позволяет измерять расстояния более I км. При визуальном методе регистрация наведения на максимум контраста интерференционной картины погрешность настройки интерферометра на нулевую разность хода составила 3 мкм, однако, при использовании фотоэлектрической регистрации и более точной механики эта погрешность может быть снижена минимум на два порядка.

Во второй части главы исследуются возможности увеличения длины эталонного интерференционного Сасиса до 20+30 км при помощи прокалиброванного на нем трехволнового дальномера и предлагается решение такого дальномера.

Для калибровки аппаратуры СГС и. исследований дальномеров в пределах их рабочего диапазона необходимо располагать базисом длиной порядка 20+30 км,- измеренным с погрешностью меньшей, чем 1 мм. Из-за влияния атмосферы такие измерения не могут быть выполнены традиционными средствами наземной дальнометрии или интерферометрии. Столь высокая точность пока еще не достигается и при использовании спутниковых методов. Поэтому единственным пригодным средством остаются лазерное далънолерные систелы с коррекцией за влияние атлосфери дисперсионкыл летодол.

Дисперсионный метод может быть реализован в двухволновол и трехволновол вариантах. Практическое развитие получил двухволновый вариант и к настоящему времени существуют несколько разработок двухволновых систем. В наиболее известной - дальномере- рефрактометре "Теггап^ег" (США) - используются Не-Ые (А.=0,63 мкм) И Не-са (Л.=0,44 мкм) лазеры, излучение которых модулируется частотой -3 ГГц, что позволило измерять расстояния Г5+20 км с погрешностью I * Ю-7. Эта величина - предельная для двухволнового метода и для уменьшения, погрешности измерения необходимо знать влажность воздуха вдоль трассы более точно, чем это обеспечивается ее определением в конечных точках.

Ситуация меняется при добавлении третьей несущей, так как помимо повышения точности дальномерной системы вообще отпадает необходимость в метеоизмерениях. Реализующая трехволновый метод система была построена и испытана Хаггеттом и Слейтером. В ней к двум оптическим длинам волн:добавлена радиоволна (К=3 см), для которой зависимость показателя преломления от влажности значительно сильнее, чем в оптическом диапазоне, и измерялись две разности путей - оптическая и радиооптическая. Однако, необходимость сопряжения свето- и радиодальномерной частей трехволновой системы и наличие активного отражателя (ведомой-станции радиодальномера) делают такую систему громоздкой и сложной. При этом сохраняется необходимость измерения температуры воздуха на трассе, обусловленная различным видом уравнений, по которым вычисляются показатели преломления для света и радиоволн.

Основываясь на упомянутых выше исследованиях преломляющей способности паров воды для излучения ИК-диапазона, в работе предложен трегбблковый дисперсионный' летод с исполъзованиел третьей оптической частот в ИК-диапазоне спетра. Формула для получения расстояния, корректированного за показатель преломления воздуха имеет вид, аналогичный' (I), однако, при вычислении коэффициентов коррекции А а В используются групповые показатели преломления п и |х. В таблице 2 приведены коэффициенты коррекции, вычисленные для различных вариантов трехволновой лазерной дальномерной системы.

Таблица £

Лазеры и длины волн (мкы) V <V A,

К К \ p. К P, В

Не-Ые He-Cd Microwave 279,68 292,89 268,30 20,9

0,63 0,44 3*10* 3,16 3,44 L 60,64 0,02

He-Ne He-Cd oo2 279,68 292,89 268,04 23,9

0,63 0,44 10,6 3,16 3,44 2,08* ЗИ

He-Ne He-Ne co2 271,44 279,68 268,04 33,9

.Л.,15...... 0,63 10,6 3,01 3,16 2,08* ......2,3.

He-Ne He-Cd C02 271,44 292,89 268,04 13,1

1,15 0,44 10,6 3,01 3,44 2,08* ..... 2,7...

YAG/I ÏAG/II C02 272,04 284,76 268,04 22,1

1,06 0,53 10,6 3,02 3,26 2,08* 2,4

*'Значения получены в результате прямых измерений, выполненных в Ш (Япония)

В качестве иллюстрации реализуемости трехволнового метода в дальнометрии предложено решение дальномера с YAG- и СОх-лазерол. В этом решении используется принцип частотной коррекции, позволяющий получить величину корректированного расстояния £>корр по измерениям частотных сдвигов , соответствующих уложению целого числа ift длин полуволн модуляции в измеряемой дистанции. При этом £корр может быть получено по формуле:

5*орр-§ [ ^(77377 - 77377]" тж;" ^ (/Дну, ]' (4)

где Л, В - коэффициенты коррекции; с - скорость света в вакууме; частота модуляции; 5/( ,0/2,8/а- измеренные сдвиги частоты модуляции для излучений 1-ой и 2-ой гармоник УАО-лазера и С02-лазера соответственно. Множитель "к" означает, что излучение СОг-лазера модулируется в к раз меньшей частотой, чем излучение УАв-лазёра.

Приведем некоторые численные оценки. Для дальномера на УАй/С02- лазерах (1,06/0,53/10,6 мкм) коэффициенты коррекции А', А и В равны 25.5, 22.1 и 2.4 соответственно, и к = А/В ь 9. Принимая, что /„= 500 МГц, частота модуляции в С02-канале составит 55 МГц. При этих параметрах для получения твА) =•- 1«10~*, погрешность измерения частотных сдвигов должна быть не более 0,12 Гц, величина же требуемой подстройки в/. частоты модуляции составит 15042,5 кГц в диапазоне расстояний 1+30 км.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы, вывода и предложения можно сформулировать следующим образом:

I. Проведен анализ состояния метрологического обеспечения линейных измерений. Показано, что погрешность реализации размера единицы длины действующим эталоном не .превышает 10"*, однако, из-за несовершенства методов и средств передачи размера единицы от эталонов рабочим средствам измерений в область больших длин .эта погрешность возрастает до Ю-7. В результате эксплуатируемые до настоящего времени метрологические поверочные схемы не обеспечивают точности передачи, необходимой для калибровки прецизионной .дальномерной техники.

"2. Для усовершенствования структуры метрологической цепочки и повышения точности передачи в ее отдельных звеньях предложено заменить интерферометр перемещений абсолютных интерферометром, не требующим прокатки отражателя вдоль измеряемой дистанции. Точность и дальность абсолютных интерференционных измерений могут быть значительно повышены при ващ/ужировании измерительного плеча интерферометра. При этом затраты на сооружение . вакуумированного

интерференционного базиса сопоставимы с затратами на постройку высокоточных направляющих, необходимых для работы интерферометров перемещений.

3. Разработан проект поверочной схемы для средств .измерений длины в диапазоне 0-30000 метров. Основой предлагаемой схемы является абсолютный интерференционный базис наивысшей точности длиной I км, погрешность измерения которого не превышает 1*10^". В качестве образцовых средств измерений предложены интерферометр и дальномер, в которых используется трехволновый дисперсионный ле-тод, позволяющий на атмосферных трассах получать точность измерений порядка (145)10"°.

4. Рассмотрены теоретические и практические аспекты проблемы построения абсолютного лазерного интерферометра. Установлено, что в случае многоволновой интерферометрии ключевым фактором, определяющим точность и диапазон измерений, является волновая иерархия. Разработаны принципы построения оптимальной волновой иерархии для абсолютного С02-интерферометра и предложен алгоритм вычисления расстояния для С02-интерферометров, проверенный методом численного моделирования.

5.Разработан ряд технических решений абсолютного интерферометра: С02-интерферометр с автоподстройкой оптических частот; интерферометры с С02-лазером, генерирующим одновременно пары частот; интерферометр с СВЧ-модуляцией оптической несущей видимого диапазона спектра. Практическая реализуемость предлагаемых решений обоснована математическим анализом и точностными оценками, опиракэди-мися на данные известных экспериментальных разработок в области абсолютной интерферометрии.

6. Исследованы инструментальные методы повышения точности измерений в интерферометрии перемещений. Показано, что наиболее перспективными являются дисперсионные методы. Впервые применительно к интерферометрии предложен и разработан трехволновый варианат дисперсионного летода с использованием третьей оптической частоты в ПК-диапазоне спектра. Практическая реализуемость метода обоснована точностными оценками и численным моделированием. Показано, что при использовании лазеров, для которых нестабильность частоты не превышает 1СГ10, расстояния порядка 200 м могут быть измерены в открытой атмосфере с точностью лучшей, чем 1*10"".

7. Впервые предложен и разработан метод оптического умножения расстояния на основе лазерной импульсной интерферометрии. Для уравнивания многократно умноженной эталонной длины с длиной измеряемой линии предложено использовать лазерные рз-импульсы. Разработано техническое решение импульсного интерферометра для измерения расстояний до I км и более с интерференционной точностью.

8. Экспериментально исследована возможность практической реализации импульсного интерферометра. На основе пикосекундного yag/ ш^-лазера был построен источник излучения мощных импульсов квазибелого света (пикосекундного континуума). Исследованы основные свойства излучения континуума. Длина его когерентности составила менее 5 мкм, а пиковая мощность в импульсе - _до 10 МВт, что позволяет измерять расстояния более I км. Выполнены эксперименты по уравниванию длин плеч двухлечевого интерферометра в свете континуума. При визуальном способе регистрации максимума контраста интерференции пегрешность определения нулевой разности хода составила 3 мкм. Следует ожидать, что при использовании фотоэлектрической регистрации и более точного механизма настройки интерферометра эта погрешность может быть снижена минимум на два порядка.

9. Разработан дальномершй вариант грехволнового дисперсионного метода с использованием третьей несущей в ИК-диапазоне спектра. Предложено техническое решение трехволновога дальномера с YAG-и С0г-лазерали, в котором осуществляется частотная коррекция измеренной длины за показатель преломления воздуха. Реализуемость решения подтверждается расчетами. Ожидаемая точность измерений - не ниже (3+5)10"® при дальности действия до 30 км, при этом отпадает необходимость в каких-либо метеоизмерениях.

По.теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Чеховский A.M. Об интерферометре для измерения расстояний без прокатки отражателя с использованием двух оптических частот. Цзвестия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка., 1989, N5, с.149-156.

2. Голубев А.Н.,' Чеховский A.M. О построении сетки оптических частот для интерферометра на С02-лазере. Тезисы докладов I ВНТК "Метрология в дальнометрии", Харьков, 1988, с.107-109.

3. Голубев А.Н., Кравченко Н.И., Чеховский А.М. О возможности использования двухчастотного С02-лазера для абсолютных измерений расстояний. Тезисы докладов I ВНТК "Метрологическое обеспечение частотных и спектральных характеристик излучения лазеров". Харьков, 1990, С.222-223.

4. Голубев А.Н., Чеховский А.М. Метрологические аспекты применения С02-лазеров для абсолютной лазерной интерферометрии. Тезисы докладов П ВНТК "Метрологическое обеспечение частотных и спектральных характеристик излучения лазеров". Харьков, 1990, с.224.

5. Голубев А.Н., Чеховский А.м. Построение сетки оптических частот для интерферометра на С02-лазере. Измерительная техника, 1990, N11, с.41-43.

в. Голубев А.Н., Чеховский А.М. Перспективы совершенствования метрологического обеспечения линейных измерений на атмосферных трассах. Тезисы докладов V Российского симпозиума "Метрология пространства и времени", Москва, Менделеево, 1994, с.25.

7. Golubev A.N., Chekhoveky А.М., ZakroiBohikov S.N. Refinement oí. the metrologioal chain for oalibration oí long-distanoe measurement systen. Metrología, 1994, vol.31, N2, pp.137-139.

8. Golubev A.N., Chekhovsky А.Ы. Tbree-oolour r-ange finder. Appl.

Opt., 1994, vol.33, N31, pp.7511-7517-i

Основное содержание работы докладовалось на:

1. XVI НТК аспирантов и молодых ученых МШГАиК, Москва, 1987.

2. П и И ВНТК "Метрология в дальнометрии", Харьков, 1988, 1992.

3. I ВНТК "Метрологическое обеспечение частотных и спектральных характеристик излучения лазеров", Харьков, 1990.

4. V Российский симпозиум "Метрология пространства и времени", Москва-Менделеево, 1994.

5. НК, посвященная 215-летию МШГАик, Москва, 1994.

Подписала в печать 20.08.95 г. Задса Я°328 • Тира« 100 екз. УПП "Репрографая"

и