CC BY
114
УДК 006: 528
Б.С. Могильницкий, К.А. Бикмухаметов СНИИМ, Новосибирск
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ УСТАНОВКА ВЫСШЕЙ ТОЧНОСТИ ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ В ДИАПАЗОНЕ ДО 10 М С ПОГРЕШНОСТЬЮ НА УРОВНЕ < 0.1 ММ (УВТ - 10 М)
Для высокоточного измерения больших длин широко используются лазерные фазовые дальномеры и интерферометры. В настоящее время ведутся интенсивные исследования по созданию и применению новых более совершенных моделей средств измерений.
Анализ литературы и физических возможностей методов измерений показывает, что реально достигнутый, в настоящее время, уровень точности измерений больших длин на 2-3 порядка ниже предела, устанавливаемого физическими ограничениями. Такая значительная потеря точности обьясняется сложностью физических процессов, происходящих в современных средствах измерений больших длин и, как следствие этого, целым рядом проблем, возникающих в процессе создания основных узлов таких устройств. Так, в фазовой дальнометрии, одна из основных причин, ограничивающих инструментальную точность реальных дальномеров, -несовершенство модулятора, вследствие чего в процессе модуляции появляется: неоднородность и нестабильность во времени фазы модуляции по сечению зондирующего луча, отклонение от гармонического закона огибающей модуляции луча и ряд других побочных явлений. Многообразие и взаимосвязанность ряда факторов, снижающих точность реальных фазовых дальномеров, требуют разработки большого числа новых способов реализации этого метода.
В основу всех лазерных дальномерных методов положено определение времени, в течение которого информационный сигнал пройдет двойное расстояние от дальномера до отражателя в конечной точке измеряемой длины. При этом используется факт постоянства скорости распространения световых волн в вакууме и возможность учета изменения этой скорости в зависимости от реальных атмосферных условий путем определения среднего интегрального значения группового показателя преломления воздуха в момент измерений. Методы определения времени распространения информационного сигнала различаются по тому параметру электромагнитной волны, который положен в основу измерения: фазе, частоте, амплитуде, времени задержки импульса и их комбинаций.
Минимальная погрешность на период 90-х годов прошлого века обеспечивалась лазерными дальномерами, реализующими фазовый метод определения интервала времени распространения модулируемого по интенсивности лазерного излучения [1]. Лучшие образцы таких устройств могут обеспечивать измерение больших длин с погрешностью порядка 1*10-7 [2].
Другим весьма точным методом для измерения больших длин в метрологии и геодезии является интерференционный метод оптического
умножения (метод Вяйсяля [3]), позволяющий реализовать уровень погрешности измерения больших длин < 1 км величиной (1-3)*10-7.
Дополнительно отметим импульсно-фазовый метод измерений, совмещающий в себе достоинства фазовых методов в отношении точности измерений и импульсных систем в отношении дальности измерений. В качестве зондирующего сигнала используется последовательность импульсов, а время их прохождения удвоенного расстояния до обьекта измеряется фазовым методом. Точностные характеристики лучших таких устройств на уровне погрешности в виде (1 + 1*10-6 Ь) мм.
Все рассмотренные выше устройства технически сложны и требуют больших как финансовых, так и интеллектуальных затрат для достижения метрологических характеристик соответствующих Установкам Высшей Точности (УВТ).
В последнее время, в связи с революционным прорывом в области формирования импульсов света сверхкороткой длительности, появилась реальная возможность понизить погрешность измерений больших длин на несколько порядков интерферометрическим методом, используя уникальные характеристики излучения лазерных устройств нового поколения[7].
Лазерные дальномеры и интерферометры по принципу своего действия реагируют непосредственно на оптическую длину пути, который проходит лазерный луч в атмосфере между точками, ограничивающими измеряемую длину, а не на геометрическое расстояние между этими точками.
Среднее интегральное значение показателя преломления воздуха слоя атмосферы на траектории луча невозможно определить непосредственно. Оно определяется либо с помощью лазерных измерений дисперсионным методом, либо измерением в некоторых точках траектории метеорологических характеристик: температуры, давления, влажности,
связанных с показателем преломления известными соотношениями.
Таким образом, средства измерений в длинобазовой интерферометрии реагируют не на саму измеряемую длину, а на ряд вторичных величин, функционально с ней связанных. Использование приближенных значений эмпирических выражений функциональной зависимости и приближенных значений входящих в нее параметров, изменяющихся в процессе измерений за счет турбулентности атмосферы, обуславливают погрешность косвенного метода измерений [2].
При взаимодействии измерителя с обьектом измерений, значение измеренной величины, отличается от значения, принятой в качестве измеряемой на величину длины пути луча лазера в самой оптической системе измерителя. Кроме того, на результат измерения влияет несовпадение оптической оси лазера и оптической оси обьектива выходного коллиматора, оптической оси лазера и оси измеряемого базиса (неточная юстировка, рефракция в атмосфере и др.), неточность установки отражателя по углу места и азимуту. При изменении температуры воздуха меняются характеристики термопреобразователя, крепления, подводящих кабелей и т.д. В результате возникает погрешность передачи размера измеряемой
величины от объекта средству измерений - от воспроизводимой длины к образцовому дальномеру и погрешность от воздействия дальномера на базис.
Дальномерные средства измерений всегда имеют собственную инструментальную погрешность, обусловленную их конструктивными особенностями, а также метеорологическим состоянием внешних условий: уровнем фоновой засветки, турбулентностью, частотным спектром флуктуаций показателя преломления воздуха, скоростью и направлением ветра, изменением температуры, давления и влажности воздуха и др.
При косвенных измерениях длины в результате последующей математической обработки данных часто по приближенным соотношениям возникает погрешность вычислений.
Выше перечисленные факторы ограничивают физически достижимую точность измерения больших длин, многообразие которых определяется спецификой этих измерений. Чтобы уйти от этого трудно преодолимого барьера уровня точности, необходимо использование преимуществ новых революционных технологий, основанных на других принципах измерительного процесса.
В основу концепции создания УВТ положен принцип точного измерения длин интерференционным методом, основная идея которого изложена в [5], а техническая реализация представлена в [6].Такой подход позволит избежать ряд технических проблем, уменьшить финансовые затраты, упростить сам процесс измерений, существенно (на порядки) снизить погрешность и на практике реализовать новую технологию измерительного процесса.
Основная идея - создание удобной меры длины на основе интерферометра Фабри - Перо (база 1 м), обладающей стабильностью длины на уровне эталона длины (эталонный вариант) или на уровне стабильности пассивного изолированного интерфрометра Ф-П (рабочий вариант). Процесс измерений включает процедуры максимально точных измерений частот и длин волн лазерного источника. Для воспризведения меры длины (измерение произвольных больших длин) используется метод Вяйсаля [3].
Вариант 1. Установка состоит из пассивно стабилизированного интерферометра Фабри-Перо (ИФП) базой 1м, одночастотного перестраиваемого по частоте диодного лазера (ДЛ), частота которого стабилизируется автоподстройкой частоты по максимуму пропускания его излучения через ИФП и измерителя длин волн ИДВ с относительной погрешностью измерения 8 да 10‘6.
Первоначально частота ДЛ настраивается на одну из продольных мод (максимум пропускания) ИФП и стабилизируется системой автоподстройки. Длина волны, прошедшего через ИФП излучения, этого ДЛ регистрируется ИДВ. Затем частота ДЛ настраивается на следующий максимум пропускания
л
ИФП (Ау = Л/.*(С//. ) = С/2Ь = 150МГц - частотный межмодовый масштаб интерферометра, спектральная область чуствительности Ф-П) и стабилизируется. Снова измеряется длина волны излучения ДЛ с помощью ИДВ. По измеренным длинам волн излучения, прошедшего через соседние
максимумы пропускания ИФП, а также по известному числу порядков интерференции между этими модами однозначно определяется длина базы образцового ИФП с относительной погрешностью 8 = 5*10'8. Имея образцовую меру длины в 1м, применяя метод Вяйсяля, мы можем уверенно и легко определить, необходимую длину образцового базиса с указанной выше погрешностью. Кроме этого, этот метод с одной стороны позволяет измерять любую длину базиса с высокой точностью, а с другой стороны -значительно упрощает сам процесс измерений, избавляя нас от наслоения погрешностей, неизбежно возникающих в фазовых методах измерения больших длин.
Вариант 2. В этом случае база ИФП представляет собой непосредственно длину, определенную в 10 м. Процедура измерений аналогична изложенной в 1-ом варианте. Исключается метод Вайсяля. Существенно повышаются требования к мерам пассивной стабильности ИФП: фундаментальное основание установки, максимально возможная изоляция от звуковых и тепловых возмущений и т. д. Кроме этого длина в 10 м для базы ИФП является по существу предельной из-за сложности юстировки, при использовании указанного метода. Таким образом, этот вариант сужает возможности интерференционного метода измерений больших длин и может быть применим для частного случая создания УВТ-10 м.
Приведем схему установки и пояснения к процессу измерений
Установка измерений
Принцип измерения
Длина измеряемого базиса определяется как Ь = п(7ч/2) = (п + Ы)*(Л..2/2).
Откуда произвольная п-я продольная мода ИФП определяется как п = М*{(^)/( ^1 - /-2)! • Теперь длина базиса определяется через число порядков интерференции N и измеренные длины волн как Ь = N * !Г(А?)/( ^ - Л?)1 *
0,х!Ж " " "
Это простая и изящная процедура определения длины заданного базиса по 2-му варианту.
Порядок интерференции определяется следующим образом. Одночастотный лазерный диод может перестраивать свою частоту генерации на величину ~10 % относительно средней частоты. Пусть средняя длина волны генерации диода X ~ 1 мкм, что соответствует частоте генерации ДЛ у„ = 300 ТГц, тогда область перестройки его частоты Ау « 30 ТГц. Если измеряемая длина Ь ~ 1 м (база интерферометра), то масштабная частота ИФП Ау = СХ2Ь =150 Мгц. Тогда при /ч = 1 мкм, Х2 может принимать значения Х2 = ?ц(+ / ) 0.1>ч, что дает величину N = 2*106. Более просто параметр N можно оценить из отношения двойной длины ИФП к длине волны генерации ДЛ как N = 2ЬА, = 2*106мкм/1 мкм = 2*106.
Эталонный вариант измерений. Основная идея изложена в работах [5, 8].
В этом случае база ИФП (1м) подвергается активной стабилизации с помощью радиочастотного стандарта и погрешность ее длины может быть снижена до уровня 10-10, что на 2-3 порядка улучшает параметры пассивно стабилизированного ИФП. Процесс измерений может быть реализован двумя вариантами. Первый - аналогично выше изложенному - с помощью перестраевымых диодных лазеров и современного измерителя длин волн ИДВ (погрешность 8Х « 10'8). Второй - с помощью современных технологий, используя уникальные возможности импульсного излучения лазеров пико- и фемтосекундного диапазона [5]. В этом случае точность измерений заданной длины возрастает на порядки и соответствует современным эталонным требованиям.
Предлагаемый метод измерений справедлив в идеальных условиях - в отсутствии атмосферы. В реальных атмосферных условиях неизбежно возникнут систематические погрешности, существенно ограничивающие заявленную точность. Систематическая погрешность возникает из-за пренебрежения явлением искривления траектории светового луча в неоднородной атмосфере. Эффект рефракции (искривление траектории светового луча) относится к классическим источникам систематических погрешностей при измерении больших длин. В дальнометрии эффект рефракции в том, что измеренная длина соответствует искривленной длине в неоднородной атмосфере траектории луча, а не измеряемой длине отрезка между конечными точками базиса. Это различие является систематическим и не может быть устранено путем многократных измерений. Если разница
между этими длинами оказывается сравнимой с требуемой точностью или больше нее, в результаты измерений необходимо вводить поправки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лазерная дальнометрия / под ред. Васильева, В.П., Хинрикус, Х.В. - М., 1995.
2. Методы и средства лазерной прецизионной дальнометрии/ Андрусенко, А.М., Данильченко, В.П., Прокопьев, А.В. - М.: Изд-во стандартов, 1987.
3. T.I. Kukkamaki. Vaisala interference comparator. Suomen geod. Laitok. tied, № 1, p. 24-27, 1980.
4. Электрооптические и радиогеодезические измерения / Кондрашков, А.В. - М.: Недра, 1972.
5. Прецизионные измерения длин на основе импульсного лазера / Могильницкий, Б.С., Толстиков, А.С., Черепанов, В.Я. // Измерительная техника. - 2004. - № 8. - С. 9-12.
6. Прецизионные измерения оптических частот и длин с помощью фемтосекундного лазера / Бикмухаметов, К.А., Дмитриев, А.К. // Материалы VII междунар. конф. ’’Актуальные проблемы электронного приборостроения” АПЭП. - 2004. - Т. 3. - С. 240.
7. Абсолютные измерения длины с помощью фемтосекундного лазера / Бакланов, Е.В., Дмитриев, А.К. // Квантовая электроника. - 2002. - Т. 32, № 10. - С. 690.
8. Современные лазерные технологии для метрологических применений / Могильницкий, Б.С, Коломников, Ю.Д., Толстиков, А.С. // Материалы VII междунар. конф. ’Актуальные проблемы электронного приборостроения” АПЭП. - 2004. - Т. 3. - С. 227.
© Б.С. Могильницкий, К.А. Бикмухаметов, 2007
