CC BY
64
Базыкин С.Н, , Базыкина Н.А., Логинов А.Ю., Редько В.В. ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРНЫХ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ
Сравниваются по помехоустойчивости оптические схемы информационно-измерительных систем (ИИС) с акустооптическим преобразованием частоты на выходе интерференционной схемы и на входе интерференционной схемы Выведена формула для расчета отношения сигнал/шум оптического измерительного сигнала для рассмотренных схем. Показано, что оптическая схема с акустооптическим преобразованием частоты на входе интерференционной схемы наиболее предпочтительна по критерию помехоустойчивости.
Помехоустойчивость оптоэлектронных ИИС зависит от многих причин: характеристик источника излучения, параметров передающей оптической системы, свойств среды распространения излучения, параметров приемной оптической системы и приемника излучения.
Соотношение сигнал/шум (С/Ш) на входе приемника должно быть не меньше заданного порогового
значения. В противном случае это приводит к непропорционально быстрому росту погрешности и увеличению вероятности аномальных явлений при дальнейшей обработке измерительной информации.
Неэффективное использование мощности лазерного излучения в оптических схемах ведет к уменьшению соотношения сигнал/шум. С достаточной степенью точности отношение сигнал/шум (С/Ш) в гетеродинных лазерных ИИС определяется по формуле [1]:
с = I ц х Ри х Р (1)
Ш (Ри + Рр) '
где Л - постоянная Планка; А - длина волны оптического излучения; ц - квантовая эффективность фотоприемника; Аf - полоса пропускания избирательного усилителя; с - скорость распространения света; Ри, Рр -мощности измерительной и референтной световых волн соответственно.
Анализ формулы показывает, что соотношение сигнал/шум зависит от соотношения мощностей Ри, Рр. Существуют две основные схемы фазовых интерференционных ИИС перемещений: с акустооптическим пре-
образованием частоты на входе интерференционной схемы и с преобразованием частоты на выходе интерференционной схемы (рисунок 1).
Рисунок 1 - Оптическая схема информационно-измерительной системы с акустооптическим преобразованием частоты: а) на выходе интерференционной схемы; б) на входе интерференционной схемы
Оптическая схема ИИС перемещений с акустооптическим преобразованием частоты на выходе интерференционной схемы показана на рисунке 1а. Исходное лазерное излучение Рии, проходя светоделительный куб СК и интерферометр Майкельсона, попадает на акустооптический модулятор (АОМ), теряя часть своей мощности. На АОМ поступают два световых пучка под углом дифракции друг к другу, причем мощности этих пучков равны Р1 = Р2 0,125РИИ[2].
При расчете соотношения интенсивностей интерферирующих световых волн в акустооптических схемах принято допущение о том, что световая волна, проходя акустооптический модулятор, распадается на дифракционные порядки без поглощения их интенсивностей в модуляторе и мощность дифракционных порядков выше первого пренебрежительно мала.
Оптимальное значение параметра фазовой модуляции света а = 0,7, что соответствует соотношению мощностей Р+1 < 0,15Ро в нулевом Ро и первом Р+1 дифракционных порядках. При большем значении параметра а в акустооптическом модуляторе возникают нелинейные искажения [3]. При дифракции Рамана-Ната возникают «+1» и «-1» дифракционные порядки, причем мощности их равны:
Р1 = Р+1 + Р-1 + Р0 ,
Р+1 = Р 1 = 0,15Ро .
Произведя несложные математические вычисления с мощностями референтного и измерительного световых пучков, получаем
Рр = 0,015РММ ,
Ри = 0,095Рии .
Подставляя значения Рр и Ри в формулу (1), получаем
С ") ГУЛ 0,015 X 0,095РММ
Ш X \hC\f 0,015 + 0,095
Оптическая схема информационно-измерительной системы с акустооптическим преобразованием частоты на входе интерференционной схемы показана на рисунке 16. Исходное лазерное излучение Рии подают на АОМ, где при а = 0,7 получают на выходе АОМ следующие значения рассеянного излучения [2]:
Р0 = 0,76Гии ,
Р^ = Р ! = 0,12Рии .
Учитывая потери мощности лазерного излучения при прохождении через оптическую систему, получаем
Р'р = 0,06Рии ,
К= 0,19Рии .
Соответственно, подставляя значения Рр и Ри в формулу (1), получаем для схемы на рисунке 16
С Л \Г]Х 0,06 X 0,19РИ
ии
„Ш)2 \jhcAf (0,06 + 0,19) .
Из приведенных выше вычислений видно, что отношение соотношения сигнал/шум различных оптических схем интерферометров
(С'Ш )2
(с /Ш )i
i 2
Увеличение количества преломляющих и отражающих поверхностей в оптической системе также снижает соотношение сигнал/шум измерительного сигнала, так как на границе раздела двух сред (например, воздух - стекло) мощность измерительного сигнала уменьшается.
В вышеприведенных математических выражениях для упрощения сравнительного анализа не учитывались потери оптической мощности на границах раздела сред. Такое допущение справедливо только для сравнения возможных оптических схем построения ИИС. При проведении энергетического расчета оптических схем необходимо учитывать максимальные потери мощности оптического сигнала на отражение при преломлении. Их определяют по формуле:
т\2
П -1
' = 1пл1 . (2)
Коэффициент пропускания т^ из-за потерь на отражение при преломлении всей оптической системы равен
Тпр =П(!-Рь) , (3)
где Л - число преломляющих поверхностей.
При этом, если имеется N поверхностей с одинаковыми значениями р, то их общий коэффициент пропускания равен
тпр =(1 -р) . (4)
Если при расчете использовать формулы (2 - 4), то относительное соотношение сигнал/шум при
одинаковом источнике лазерного излучения оптических схем с акустооптическим преобразованием на входе и на выходе достигает 2,5...3.
Из рассмотренных схем оптическая схема с акустооптическим преобразованием на входе является наиболее предпочтительной с точки зрения помехоустойчивости. Исследование данных схем ведет к необходимости уменьшения количества отражающих и преломляющих поверхностей их оптической части. Этого можно добиться введением в схему оптических волокон, выполняющих деление и объединение оптических измерительных сигналов.
Литература
1. Росс М. Лазерные приемники. Пер. с англ. под ред. А.В. Невского. М.: Мир. 1969 - 520 с.
2. Телешевский В.И. Основы теории и принципы построения акустооптических измерительных высокоточных станков. Автореферат дис. на соис. уч. ст. д.т.н. Москва. 1980.
3. Базыкин С.Н. Помехоустойчивые лазерные акустооптические интерферометры для управления матизированным технологическим оборудованием. Автореферат дис. на соис. уч. ст. к.т.н. 1996.
систем
авто-
Пенза.
