CC BY
103
ГЕОДЕЗИЯ
УДК 528.517: 537.715.1
ФЕМТОСЕКУНДНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДАЛЬНОМЕР
С РАСПРОСТРАНЕНИЕМ ИЗЛУЧЕНИЯ В ВАКУУМИРОВАННОЙ ТРУБЕ
Александр Владимирович Кошелев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры специальных
устройств и технологий СГГА, тел. 8923-243-55-05, e-mail: [email protected]
Александр Петрович Карпик
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, ректор, тел. (383)343-39-37, e-mail: [email protected]
Владимир Адольфович Середович
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск,
ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, профессор, проректор, тел. (383)343-29-66, e-mail: [email protected]
Для повышения точности измерений больших расстояний предложена схема высокоточного абсолютного фемтосекундного интерференционного лазерного дальномера. Этот дальномер может быть использован для измерения километровых расстояний с микрометровой инструментальной погрешностью.
Ключевые слова: дальномер, инструментальная ошибка, точность измерения расстояний, абсолютный фемтосекундный интерференционный лазерный дальномер.
FEMTOSECOND LASER RANGER WITH THE RADIATION PROPAGATION IN A VACUUM PROCESSED TUBE
Alexandr V. Koshelev
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Russia, Novosibirsk 630108, 10 Plakhotnogo St; MSc, senior lecturer, Prof., department of specialized instrumentation and technologies SSGA; tel. 8923-243-55-05, e-mail: alvlkosh@ yandex.ru
Alexandr P. Karpik
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Russia, Novosibirsk 630108, 10 Plohotnogo St; Ph. DSc, Prof., rector, tel. (383)343-39-37, e-mail: [email protected]
3
Геодезия
Wladimir A. Seredovch
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), Russia, Novosibirsk 630108, 10 Plohotnogo St; Ph. MSc, Prof., vice rector, tel. (383)343-29-66, e-mail: [email protected]
The design of a high precision absolute femtosecond interference laser ranger for the increase a long distance measurement precision the is suggested. This range finder can be used for measuring kilometer distance with micrometer instrumental error.
Key words: range finder, instrumental error, distance measurement precision, absolute femtosecond interference laser ranger.
С появлением первых газовых лазеров в начале шестидесятых годов прошлого века для геофизических исследований были созданы лазерные интерференционные деформографы с микрометровой инструментальной чувствительностью [1]. Эти приборы используются в зонах геологических разломов пород для измерения относительных линейных деформаций литосферных плит. Измерения выполняются лазерными интерферометрами с фиксацией линейных изменений длин на расстояниях до 1 км по показаниям интерферометра с погрешностью до долей микрометров. Для исключения влияния атмосферы на точность интерференционных измерений в деформографах, созданных в 1961 г., излучение лазера проходит контролируемое расстояние около 1 км до отражателя и обратно в вакуумированнных трубах с прозрачными торцами [1].
При выполнении геодезических линейных измерений часто требуются не относительные, а абсолютные значения измеряемых длин порядка 1 км с микрометровой погрешностью. В относительных интерферометрах без прокатки отражателя вдоль линии определяется информация лишь об изменениях длины измеряемой линии, в то время как абсолютные интерферометры позволяют вести измерения одним дальномером попеременно на несколько отражателей, не теряя информации об абсолютных значениях измеренных ранее длин. Это позволяет определять и отслеживать деформации и изменения длин в реальном времени. Кроме того, абсолютные интерферометры могут быть использованы как для создания эталонных базисов, так и для слежения за смещением и деформациями различных элементов и блоков плотин крупных ГЭС, ядерных реакторов и других стратегически важных объектов.
Поскольку инструментальная чувствительность современных электронных дальномеров достигла погрешностей 0,01 мм, то эталонные базисы должны иметь на порядок меньшую погрешность, т. е. микрометровую. Важно отметить, что в настоящее время лазерных дальномеров и абсолютных интерферометров для измерения расстояний порядка 1 км с микрометровой точностью не существует. Поэтому создание таких приборов является важной и актуальной задачей современной лазерной дальнометрии.
За последние 10 лет появились малогабаритные лазеры, генерирующие как одиночные, так и периодические последовательности мощных фемтосекундных импульсов. Фемтосекундный импульс (ФИ) длительностью 1 фс = 10-15 с занимает в пространстве 0,3 мкм. Использование одиночных фемтосекундных им-
4
Геодезия
пульсов в стандартных импульсных дальномерах нецелесообразно, поскольку не существует электронных измерителей временных интервалов с фемтосекундным временным разрешением. Открытым также остается вопрос об учете влияния атмосферы на результаты светодальномерных измерений. Поэтому автором были разработаны схемы, позволяющие выполнять измерения расстояний с использованием периодических последовательностей фемтосекундных импульсов с субфемтосекундным временным разрешением по времени порядка 0,5 фс. В линейной мере это составляет около 0,15 мкм.
Сущность работы таких дальномеров основана на временном совпадении опорных и отраженных импульсов в фотоприемнике путем задержки опорных импульсов со строго контролируемой микрометровой оптической линии с цифровым отсчетным устройством. С этой целью лазер генерирует периодическую последовательность фемтосекундных лазерных импульсов (ФЛИ) с высокостабильной частотой следования импульсов 150 МГц. В предлагаемом дальномере с помощью ОЛЗ в линейной мере определяется домер измеряемого расстояния в пределах половины длины волны частоты следования ФИ. Для частоты следования ФИ 150 МГц половина длины волны составит 1 м. Временного совпадения импульсов добиваются задержкой опорных импульсов относительно отраженных в прецизионной оптической линии задержки (ОЛЗ), контролируемой непрерывным лазерным интерферометром. В этом случае погрешность совмещения ФИ для импульса длительностью 1 фс в линейной мере составит около 0,15 мкм.
В основу работы предлагаемого дальномера была положена схема импульсного лазерного дальномера с периодической последовательностью (решеткой) сверхкоротких пикосекундных лазерных импульсов. Впервые подобная схема была представлена в 1979 г. для пикосекундного дальномера, принципы работы которого были доложены в 1980 г. на научно-технической конференции в МВТУ им. Баумана [2]. Принципиально новым решением в этих схемах является использование высокостабильной периодической последовательности сверхкоротких импульсов без применения малоинерционных фотоприемников и сверхвысокоточных измерителей временных интервалов. Регистрация временного совпадения сверхкоротких опорных и измерительных импульсов в предлагаемых автором схемах дальномеров осуществляется сразу в линейной мере с помощью ОЛЗ с микрометрическим отсчетным устройством по максимальным показаниям индикатора амплитуды. Подобная методика основана на использовании нелинейных корреляционных методов для измерения длительностей сверхкоротких лазерных импульсов с применением простых фотоприемников при их временном и пространственном совпадении опорных и отраженных ФИ.
В данной работе предлагается схема дальномера примерно на три порядка более точного, чем дальномер, представленный в работе [2].
С целью устранения влияния атмосферы и дисперсионного расплывания импульсов в измерительном канале «дальномер - отражатель» предложено ис-
5
Геодезия
пользовать вакуумированную трубу (ВТ) со стеклянными торцами. Это позволяет примерно на три порядка повысить точность абсолютных измерений больших длин до нескольких километров по сравнению с существующими высокоточными фазовыми светодальномерами, работающими в реальной атмосфере.
В дальномере для исключения нестабильностей внутренних задержек предусмотрено выполнять измерения в режиме оптического короткого замыкания (ОКЗ) для получения разности отсчетов Эдист - D0K3, которые соответствуют дробной части метра измеряемой длины с микрометровой точностью. Получение более точных отсчетов по ОЛЗ в режимах Dдист и D0K3 достигается использованием в опорном канале отдельного непрерывного лазерного интерферометра перемещений (ЛИП) с потенциальной погрешностью измерений до сотых долей микрометра [3]. Рассматриваемая схема фемтосекундного дальномера отличается компактностью, сравнительной простотой и сверхвысокой точностью измерений.
Важно отметить, что в предлагаемых схемах лазерных дальномеров, в отличие от существующих лазерных интерферометров перемещений, измеряются не относительные, а абсолютные расстояния. Хотя в процессе измерений из-за частоты 150 МГц расстояние однозначно определяется лишь в пределах одного метра. В предлагаемой схеме целое количество метров измеряемой длины всегда можно определить с помощью существующих менее точных светодальномеров или по заранее известной длине DBT вакуумированной трубы. При этом результирующее расстояние, отнесенное к вакууму, будет определено в целом с микрометровой погрешностью.
Одна из разработанных авторами схем фемтосекундного дальномера с ВТ представлена на рисунке.
Рис. Функциональная схема
абсолютного фемтосекундного лазерного интерферометра с ВТ
6
Геодезия
Работа дальномера основана на использовании явления интерференции периодических последовательностей опорных и отраженных импульсов с равными амплитудами в фотоприемнике ФП. Фемтосекундный лазер ФЛ излучает периодическую последовательность ФЛИ с частотой следования 150 МГц. Полупрозрачным зеркалом ПЗ1 импульсы делятся на два пучка и направляются в опорный и измерительный каналы.
Измерительные импульсы зеркалом З1 и разделительной призмой РП направляются в передающую оптическую систему, а затем через вакуумирован-ную трубу ВТ - на удаленный отражатель ОТР. Отраженные импульсы параллельным путем проходят измеряемое расстояние обратно и от РП, зеркалом З2 и полупрозрачным зеркалом ПЗ2 совмещаются в один пучок с опорными импульсами и поступают через оптический фильтр ОФ в фотоприемник ФП.
Опорные импульсы, отраженные зеркалом ПЗ1, проходят через серый клин СК и регулируемую оптическую линию задержки ОЛЗ, состоящую из зеркал З3, З4 и призмы П1. Затем они совмещаются полупрозрачным зеркалом ПЗ2 в один луч с отраженными импульсами. Изменяя задержку опорных импульсов с помощью устройства управления УУ ОЛЗ, добиваются временного совпадения отраженных и опорных импульсов. В этом случае ток фотоприемника (ФП) будет пропорционален квадрату амплитуды суммы электрических полей опорных и отраженных фемтосекундных импульсов.
В процессе измерений, например, в режиме «дистанция» (Дист) с помощью серого клина (СК) добиваются равенства амплитуд опорных и отраженных импульсов. При равенстве амплитуд электрических полей опорного и отраженного импульсов, например, условной единице 1, ток на выходе ФП, регистрируемый детектором амплитуд (ДА), только при их временном и пространственном совпадении будет пропорционален (1 + 1) = 4. Если же импульсы не совпадают по времени прихода на фотоприемник, то его ток пропорционален 1, так как (1 + 0) или (0 + 1) , а показания ДА будут в четыре раза меньше. Таким образом получают отсчеты по ЦИ ЛИП в режиме Дист. Аналогично получают отсчеты и в режиме ОКЗ.
В режиме Дист ФЛИ отражаются от отражателя (ОТР) и характеризуются домерами измеряемой длины, а в режиме оптического короткого замыкания от призмы П1 (ОКЗ) определяется длина домера прохождения импульсов внутри прибора на момент измерений.
В качестве точного измерителя смещений призмы П1 в дальномере используется лазерный интерферометр перемещений (ЛИП) с цифровым индикатором (ЦИ). При этом призма П2 жестко скреплена с призмой П1 ОЛЗ. В режиме измерений ОКЗ при совпадении опорных и отраженных импульсов по максимальным показаниям индикатора амплитуды ИА обнуляют показания ЦИ интерферометра. Затем выполняют измерения в режиме Дист. В этом случае показания ЦИ ЛИП будут соответствовать дробной части метра AD измеряемого расстояния D.
7
Геодезия
Измеренное полное расстояние определяется по формуле
D = N + D D,
где N - количество метров измеряемой линии, определенное другим методом или измеренное менее точным светодальномером; AD - домер, точно измеренный фемтосекундным дальномером в пределах одного метра с интерференционной погрешностью.
Важно отметить, что такие измерения базиса требуют как дорогостоящей аппаратуры, так и весьма сложных и дорогостоящих подготовительных работ. Однако использование метода, предложенного в работе [4], позволит в створе с измеренным базисом весьма быстро и дешево откладывать на местности такие же расстояния с близкой точностью и создавать многокилометровые базисы для метрологической аттестации светодальномеров и GPS-приемников.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бергер Д. Применение лазерной техники в геодезии и геофизике. - М.: Недра, 1977. - С. 10-20.
2. Кошелев А.В. Высокоточный лазерный импульсный дальномер // II Всесоюзная научно-техническая конференция. Применение лазеров в приборостроении и медицинской технике. - М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1979. - С. 89-90.
3. Голубев А.Н., Ханов В. А. Лазерная интерферометрия больших расстояний. - М.: Недра, 1991. - 134 с.
4. Кошелев А.В. К вопросу о создании базисов для аттестации спутниковой аппаратуры и светодальномеров // Геодезия и картография. - 2011. - № 8. - С. 18-21.
Получено 24.02.2012
© А.В. Кошелев, А.П. Карпик, В.А. Середович, 2012
8
