CC BY
53Компетентность / Competency (Russia) 2/2020 DOI: 10.24411/1993-8780-2020-1-0209
Лазерные технологии для прецизионных измерений больших длин
Представлен анализ средств и методов прецизионных измерений больших длин. Показано, что использование современных лазерных технологий позволяет повысить точность этих измерений не менее чем на два порядка
Б.С. Могильницкий1
Новосибирский филиал ФГАОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)», канд. физ.-мат. наук, ats-3300-106-45@yandex.ru
1 заведующий кафедрой, г. Новосибирск, Россия
Для цитирования: Могильницкий Б.С. Лазерные технологии для прецизионных измерений больших длин // Компетентность / Competency (Russia). — 2020. — № 2. DOI: 10.24411/1993-8780-2020-1-0209
ключевые слова
прецизионное измерение длины, лазерные технологии, точность измерений
емтосекундные, пикосекундные и нано-секундные лазеры являются источниками сверхкоротких световых импульсов. На их основе в настоящее время бурно развиваются новые прецизионные технологии измерений во многих областях науки и техники. Уникальные свойства лазерного излучения, возникающего в режиме синхронизации мод, используются для высокоточных оптических измерений частот, длин волн, перемещений, деформаций, физических параметров сред и материалов с метрологической точностью. Особенно перспективно применение этих технологий в метрологии при создании новых средств измерений. В статье рассматриваются возможности прецизионных измерений больших длин с помощью указанных технологий.
Так, при создании наземных сетей и эталонных базисов, в том числе для целей калибровки и поверки приемной аппаратуры системы ГЛОНАСС, необходимы прецизионные средства измерения и воспроизведения больших длин. В связи с этим возрастают требования к точности координатных определений, их надежности.
Для высокоточного измерения больших длин широко используются лазерные фазовые дальномеры и интерферометры. В настоящее время ведутся интенсивные исследования по разработке и применению новых более совершенных моделей средств измерений.
Анализ литературы и физических возможностей методов измерений показывает, что реально достигнутый сегодня уровень точности измерений больших длин на 2-3 порядка ниже предела, устанавливаемого физическими ограничениями. Значительная потеря точности объясняется сложностью физических процессов, происходящих в современных средствах измерений
больших длин, и, как следствие, целым рядом проблем, возникающих в процессе создания основных узлов подобных устройств. Так, в фазовой дальноме-трии одна из основных причин, ограничивающих инструментальную точность реальных дальномеров, — несовершенство модулятора, вследствие чего в процессе модуляции появляются: 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.
Методы прецизионного измерения больших длин
основу всех лазерных дальномер-ных методов положено определение времени, в течение которого информационный сигнал пройдет двойное расстояние от дальномера до отражателя в конечной точке измеряемой длины. При этом используются 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 комбинациям.
Минимальная погрешность в 90-х годах прошлого века обеспечивалась лазерными дальномерами, реализующими фазовый метод определения
Компетентность / Сотрв1впсу (Russia) 2/2020 DOl: 10.24411/1993-8780-2020-1-0209
cправка
Ирье Вяйсяля — финский астроном, оптик и геодезист, профессор, академик, родился 6 сентября 1891 в Утра, Контиолахти в Российской империи. Талантливый популяризатор астрономии, организовал любительские астрономические общества в Хельсинки и Турку. Разработал несколько методов контроля качества оптических элементов, а также их производства. Был одним из пионеров создания жидких зеркал из ртути. В 1920-30 годах Вяйсяля для создания сильно удаленных триангуляционных вершин предложил использовать проблесковые огни на воздушных шарах или больших пиротехнических ракетах. Эксперименты по использованию этой «звездной» триангуляции были успешно проведены в 1959 году. Преимущество метода заключалось в возможности (при достаточно большой высоте источника света) связать в одну систему пункты, находящиеся на очень больших расстояниях друг от друга
интервала времени распространения модулируемого по интенсивности лазерного излучения [1]. Лучшие образцы таких устройств обеспечивают измерение больших длин с погрешностью порядка 1х10-7 [2].
Другим весьма точным методом измерения больших длин в метрологии и геодезии является интерференционный метод оптического умножения (метод Вяйсяля [3]), позволяющий реализовать уровень погрешности измерения больших длин до 1 км величиной (1-3)х10-7.
Дополнительно отметим импуль-сно-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 объекта измеряется фазовым методом. Точностные характеристики лучших таких устройств на уровне погрешности в виде (1 + 1x10 L) мм.
Все рассмотренные устройства технически сложны и требуют больших финансовых и интеллектуальных затрат для достижения метрологических характеристик, соответствующих установкам высшей точности (УВТ).
Составляющие погрешностей измерений
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 интерфероме-трическим методом, используя уникальные характеристики излучения лазерных устройств нового поколения [4-6].
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 длиннобазовой 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, обуславливает погрешность косвенного метода измерений [7].
При взаимодействии измерителя с объектом измерений значение измеренной величины отличается от значения, принятого 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 объектива 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
Компетентность / Competency (Russia) 2/2020 DOI: 10.24411/1993-8780-2020-1-0209
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.
Перечисленные факторы ограничивают физически достижимую точность измерения больших длин, многообразие которых определяется спецификой данных измерений. Чтобы уйти от этого труднопреодолимого барьера уровня точности, необходимо использовать преимущества новых революционных технологий, основанных на других принципах измерительного процесса.
Концепция измерений
В основу концепции измерений положен принцип точного измерения длин интерференционным методом, основная идея которого изложена в [4], а техническая реализация представлена в [5]. Такой подход позволит избежать многих технических проблем, уменьшить финансовые затраты, упростить 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 (ИФП) с базой 1 м, обладающей стабильностью длины на уровне эталона длины (эталонный вариант) или на уровне стабильности пассивного изолированного ИФП (рабочий вариант). Процесс измерений включает процедуры максимально точных измерений частот и длин волн лазерного источника [5]. Для измерения больших длин используется метод Вяйсяля [3].
Рабочий вариант
Установка состоит из пассивно стабилизированного интерферометра Фабри — Перо базой
1 м, 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 dl ~ 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 ИФП (Dn = Dix (с/l2) = ^2L = 150 МГц — частотный межмодовый масштаб интерферометра — спектральная область чувствительности 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 dl = 5x10-8. Имея образцовую меру длины в 1 м и применяя метод Вяйсяля, мы можем уверенно и легко определить необходимую длину заданного базиса с указанной погрешностью. Кроме того, этот метод, с одной стороны, позволяет измерять любую длину базиса с высокой точностью, с другой — значительно упрощает сам процесс измерений, избавляя нас от наслоения погрешностей, неизбежно возникающих в фазовых методах измерения больших длин.
Рассмотрим второй вариант. В этом случае база ИФП представляет собой, например, длину, определенную в 10 м. Процедура измерений аналогична изложенной в первом варианте. Исключается метод Вяйсяля. Существенно повышаются требования к мерам пассивной стабильности ИФП: фундаментальное основание установки, максимально возможная изоляция от звуковых и тепловых возмущений и т.д. Отметим, что длина в 10 м
ЕЛ |—| ■— Г"| Г") л |_II^Q Компетентность / Competency (Russia) 2/2020
52 ИССЛЕДиСпПИл doi: 10.24411/1993-8780-2020-1-0209
Спектр мод резонатора фотоприемника [Spectrum of photodetector resonator modes]
ИДВ
для базы ИФП, по существу, является 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 (установки высшей точности).
Описание измерения
ФП освещается перестраиваемым по частоте излучения ДЛ, длина волны излучения которого измеряется измерителем длин волн ИДВ. База интерферометра стабилизируется системой автоподстройки с помощью обратной связи, использующей управляющий сигнал с фотоприемника. Число максимумов интерференции прошедшего через ИФП света под-считывается счетчиком. На рисунке представлен спектр мод резонатора фотоприемника.
Длина измеряемого базиса в общем случае определяется как L = гах(11/2) = = (п + ^х(12/2). Произвольная п-я продольная мода ИФП — как п = ^{(УД^ - 12)}. Теперь длина базиса определяется через число порядков интерференции N и измеренные длины волн как Ь = N х{[(12 )/(11 - 12 )]х(11/2)}.
Это простая и изящная процедура определения длины заданного базиса по второму варианту. Порядок интерференции можно оценить из отношения двойной длины ИФП (2Ь = 20м) к длине волны генерации ДЛ (1 = 1мкм) как N = 2Ь/1 = 2х10'мкм/1 мкм = 2х 107.
АПЧ
г
ДЛ ИФП ФП
Счетчик
Моды Интерферометра
N + n
C/2L
N + 1
Эталонный вариант измерений
Основная идея изложена в работах [4, 8]. В этом случае база ИФП (1м) подвергается активной стабилизации с помощью радиочастотного стандарта и погрешность ее длины возможно снизить до уровня 10-10, что на 2-3 порядка улучшает параметры пассивно стабилизированного ИФП. Процесс измерений может быть реализован двумя вариантами.
1. С помощью перестраиваемых диодных лазеров и современного измерителя длин волн ИДВ (погрешность dl~10-8).
2. С помощью современных технологий, используя уникальные возможности импульсного излучения лазеров пико- и фемтосекундного диапазона [4]. В этом случае точность измерений заданной длины возрастает на порядки и соответствует современным эталонным требованиям (погрешность dl~10-10).
Предлагаемый метод измерений справедлив в идеальных условиях — при 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 заключается 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 разность между этими длинами оказывается сравнимой с требуемой точностью или больше нее, в результаты измерений необходимо вводить поправки.
Отметим, что в настоящее время в нашей стране функционирует Государственный первичный эталон дли-
l
l
2
n
l
Компетентность / Competency (Russia) 2/2020 МРГ^ПСГЮОА!_НА О СО
DOI: 10.2441 1/1993-8780-2020-1-0209 ИССЛЕДОВАНИЯ 53
ны — метра ГЭТ 2-2010 с суммарной стандартной неопределенностью измерений метра 5,8х10-12 и специальный первичный эталон длины ГЭТ 199-2018 с суммарной стандартной неопределенностью 2,23 мкм на длине 60 м, что соответствует относительной погрешности 3,7х10-8 [9]. Результаты проведенных исследований показали, что значения точности измерений длин, представленные в данной работе, сравнимы со значениями точности эталонных измерений, полученных в специальных условиях с помощью уникальных специальных устройств. ■
Статья поступила в редакцию 03.122019
Список литературы
1. Лазерная дальнометрия / под ред. Васильева В.П., Хинрикус Х.В. — М.: Радио и связь, 1995.
2. Андрусенко А.М., Данильченко В.П., Прокофьев А.В. Методы и средства лазерной прецизионной дальнометрии. — М.: Изд-во стандартов, 1987.
3. Kukkamaki T. I. Vaisala interference comparator. — Suomen geod. Laitok. tied. — 1980. — № 1.
4. Могильницкий Б.С., Толстиков А.С., Черепанов В.Я. Прецизионные измерения длин на основе импульсного лазера // Измерительная техника. — 2004. — № 8.
5. Бикмухаметов К.А., Дмитриев А.К. Прецизионные измерения оптических частот и длин с помощью фемтосекундного лазера / Материалы VII международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», АПЭП-2004. — Т. 3.
6. Бакланов Е.В., Дмитриев А.К. Абсолютные измерения длины с помощью фемтосекундного лазера // Квантовая электроника. — 2002. — Т. 32. — № 10.
7. Кондрашков А.В. Интерференция света и ее применение в геодезии. — M.: Геоиздат, 1956.
8. Могильницкий Б.С. Современные лазерные технологии повышения точности измерения длин // Мир измерений. — 2017. — № 3.
9. Милованова Е.А., Маликов К.И. и др. Совместные исследования метрологических характеристик комплекса государственных первичных эталонов единицы длины // Измерительная техника. — 2018. — № 9.
Kompetentnost / Competency (Russia) 2/2020
ISSN 1993-8780. DOI: 10.2441 1/1993-8780-2020-1-0209
RESEARCH 53
Laser Technology for Precision Measurements оf Long Lengths
B.S. Mogil'nitskiy1, FSAEI FVT ASMS, Novosibirsk Branch, Assoc. Prof. Dr., ats-3300-106-45@yandex.ru
1 Head of Department, Novosibirsk, Russia
Citation: Mogil'nitskiy B.S. Laser Technology for Precision Measurements of Long Lengths, Kompetentnost / Competency (Russia), 2020, no. 2, pp. 49-53. DOI: 10.24411/1993-8780-2020-1-0209
key words
precision length measurement, laser technology, measurement accuracy
References
I'm presented the methods for precision measurements of long lengths. The use of the proposed modern laser technologies can significantly improve the accuracy of measurements of large lengths by at least two orders of magnitude. As you know, the State primary standard of length (meters) — GET 2-2010 with a total standard measurement uncertainty of 5.8x10-12 meters, and a special primary standard of length GET 199-2018 with a total standard uncertainty of 2.23 microns at a length of 60 m, which corresponds to a relative error of 3,7'10-8. In conclusion, the accuracy values of length measurements presented in this paper are comparable to the accuracy values of reference measurements obtained under special conditions using unique devices.
1. Laser ranging. Ed. V.P. Vasil'ev, Kh.V. Khinrikus, Moscow, Radio and communication, 1995.
2. Andrusenko A.M., Danil'chenko V.P., Prokof'ev A.V. Methods and means of precision laser ranging, Moscow, Standards publishing house, 1987.
3. Kukkamaki T. I. Vaisala interference comparator, Suomen geod. Laitok. tied, 1980, no. 1, 24 P.
4. Mogil'nitskiy B.S., Tolstikov A.S., Cherepanov V.Ya. Precision measurements of lengths based on pulsed laser, Measurement technology, 2004, no. 8, 9 P.
5. Bikmukhametov K.A., Dmitriev A.K. Precision measurements of optical frequencies and lengths using a femtosecond laser, Actual problems of electronic instrumentation, VII int. conf. proc., APEP-2004, v. 3, p. 240.
6. Baklanov E.V., Dmitriev A.K. Absolute length measurements using a femtosecond laser, Quantum electronics, 2002, v. 32, no. 10, 690 P.
7. Kondrashkov A.V. Interference of light and its application in geodesy, Gosizdat, 1956.
8. Mogil'nitskiy B.S. Modern laser technology to improve the accuracy of length measurement, Measurements world, 2017, no. 3, pp. 30-37.
9. Milovanova E.A., Malikov K.I., etc. Joint research of metrological characteristics of the complex of state primary standards of unit length, Measurement technology, 2018, no. 9, pp. 8-11.
