CC BY
33
УДК 681.2.082:681.7.014
РО!: 10.25206/1813-8225-2020-171-92-98
Е. В. ЛЕУН
АО «НПО лавочкина», Московская область, г. Химки
ПОВЫШЕНИЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ И РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ГЕТЕРОДИННЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ. АДАПТИВНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР_
В статье рассмотрены вопросы реализации в акустооптическом (АО) гетеродинном лазерном интерферометре (в дальнейшем — лазерный интерферометр) дифференциального двухтактного метода измерения перемещений при использовании фазового интерполятора и фазометра. Для снижения уровня шумов в измерительном сигнале введена система фазовой автоподстройки частоты с малым джиттером. В первом такте в начале движения объекта за счет высокой точности фазометра реализованы т.н. «медленные точные» измерения с высокой разрешающей способностью, вплоть до »Л/10000, где Л — длина волны лазерного излучения. Для высокой скорости движения объекта используется второй такт «быстрых грубых» измерений при работе быстродействующего фазового интерполятора и блокировке фазометра. Подобным двухтактным принципом работы лазерного интерферометра улучшаются динамические и метрологические параметры измерений перемещений объекта.
Ключевые слова: лазерный интерферометр, адаптивный интерферометр, фазовый сдвиг, фазовый интерполятор, фазометр, фазовая автоподстройка частоты, шумы сигнала, джиттер.
Введение. Вопросы повышения точности и разрешающей способности Д1рс при измерении перемещений объектов акустооптическими (АО) гетеродинными лазерными интерферометрами (в дальнейшем — лазерный интерферометр), рассматривались в [ 1 — 7]. Разрешающая способность Д1рс при использовании фазовых интерполяторов (в дальнейшем — интерполятор) в лазерных интерферометрах [5, 8, 9] определяется выражением:
^ = 2Т
Д1рс »Х/1000»0,6 нм [6]. Согласно с ФЦП на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) достижимый уровень Д1 составляет »Х/3000»0,2 нм
[7].
Разрешающая способность А1рс связана с максимальной контролируемой скоростью движения объекта V и рабочей частотой / :
шах 1 изм
V о м . [ .
тах рс изм
(2)
(1)
где к о 2Тиик , ¿а к и N — коэффициент ин-
^ инк ' инт инт ^^ ^
терполяции и разрядность интерполятора, где X — длина волнылазе ра.
Однако недостатком интерполяторов является зависимость количества используемых каналов от разрешающе° способноттк А1рс. Так, при Д1 = Х/64»0,01 мкм использ уется 16 каналов изме-
рс
рения [5], а для достижения Д1рс= Х/10000»0,06 нм их потребуется 2500, что труднор еализуемо.
Для лазерных интерферомотров с частотным выходом [2 — 4]значение Д1рс достигает »Х/1000»0,6 нм, с анизотропным преобразованием света на частоте АОмодуляции / =40 МГц и фазоцифровым преобразованием (ФЦП) на базе микросхем ПЛИС с тактовой частотой до «300к 40(3 МГц получено
Как видно из (2), одновременноо повышение V при уменьшении Д/ являются взаимоисклю-
шах 1 ^ рс
чающими требованиями. Один из вариантов преодоления этого противоретия заключается в делении единого процесса иокерений на всем участке движения на два такта: «медленные и точные» и «быстрые и грубые» иомерения с их гибким адаптивным поочередным переходом от одного к другому в зависимости от сто р ости движенио V объекта. Такой подход предегологает пидробноо рассмттие-ние вопросов обеспечения этих возможноьтей с повышением V и уменьшением 100 . Подобные во-
шах рс и
просы недостаточно отражены в открытой печати, и данная статья направлена на восполнение этого пробела.
1. Алгоритм рабооы и сыома адаптивного лазерного интерферометра. Разработанный принцип действия адаптивного лазерного интерферометра на ьримере двухэбапнбго способо избереный пе-
Т
+1
о
Таблица 1
Параметры двухэтапных измерений перемещений адаптивным лазерным интерферометром для разных фаз движения
Фазы движения Без движения Разгон Быстрое движение Торможение Без движения
Скорость движения у=0, а = 0 малая скорость у<У1, а>0 средняя скорость у>у1, а>0 высокая скорость у>у 1, а~0 средняя скорость у>у1, а<0 малая скорость у<у1, а<0 у=0, а = 0
Средства измерений интерполятор + фазометр интерполятор интерполятор + фазометр
а)
б)
Рис. 1. Схема лазерного интерферометра (а) и его блок-схема (б)
ремещений заключается в следующем. Почти все перемещения начинаются и заканчиваются статическим положением объекта, поэтому процесс движения объекта можно условно разбить на семь фаз (табл. 1): без движения (у=0, а = 0) ^ разгон (малая скорость у<у1, а>0) ^ разгон (средняя скорость у>у1, а>0) ^ быстрое движение (высокая скорость у>у1, а«0) ^ торможение (малая скорость у<у1, а<0) ^ без движения (у=0, а = 0), где у и у1 — скорость и пороговая скорость движения объекта, а — ускорение.
В соответствии с этим на начальной и конечной стадиях движения до и после достижения пороговой скорости у1, т.е. когда у<у1, используются «медленные и точные» измерения при совместной работе высокоточного фазометра и фазового интерполятора. На высоких скоростях при у>у1 — «быстрые и грубые» измерения работает только интерполятор при заблокированном фазометре.
В упрощенном виде работа разработанного адаптивного лазерного интерферометра (рис. 1а) заключается в следующем. Луч лазера 1 проходит через возбуждаемый генератором 3 АО модулятор 2 с появлением на выходе при дифракции Брэгга отклоняющегося лазерного луча в виде £(+1) дифракционного порядка (выделен серым). Нулевой порядок дифракции £(0) (выделен черным) проходит через оптическую схему 4 (светоделитель + опорная триппель-призма) на вход фотоприемника 6.
Отклоненный £(+1) дифракционный порядок направляется на триппель-призму 5, перемещаемую вместе с объектом на интервале Д/, и, возвращаясь назад, проходит через оптическую схему 4. Далее, направляясь последней и интерферируя с нулевым порядком дифракции £(0) на входе фотопри-
емного устройства 6, приводит к формированию на его выходе электрического сигнала на разностной гетеродинной частоте (с учетом доплеровского набега частоты от перемещений триппель-при-змы 5. Этот сигнал проходит через систему ФАПЧ 7 с существенным ослаблением шумов Дф , следует на вход интерполятора 9, фазометра 11 и частотомера 8.
С помощью двух опорных противофазных сигналов генератора 3 и измерительного сигнала с выхода системы ФАПЧ 7 интерполятор 9 формирует на своем выходе последовательность импульсов. Она поступает на реверсивный счетчик 10 для накопления и формирования цифрового кода ДМшнш для «быстрых и грубых» измерений перемещений в большом диапазоне, т.е. для полного Д/. Число каналов N интерполятора 9 подобрано таким, чтобы формировать разрешающую способность лазерного интерферометра Д/рс1.
Часть цифрового кода ДМшнш , соответствующая дробной части перемещения Д/, т.е. малому диапазону, внутри Х/2 (с учетом двойного хода луча) поступает также на первый вход фазометра 11, который измеряет сдвиг фазы между первым (как цифровой формы сигнала) и измерительным сигналом на выходе системы ФАПЧ 7 с разрешающей способностью Д/рс2. Формируемый фазометром 11 цифровой код Д№фаз является дополнением цифрового кода ДМ .
шнш
Фазометр 11 (рис. 1б) может быть реализован на основе цифровой обработки сигнала, включая АЦП 12, первый 13 и второй 14 обработки сигнала и блок обработки данных 15 [10—12].
В связи с превышением разрешения фазометра 11 над интерполятором: Д/рс2<Д/рс1 первым фактиче-
ски осуществляются «медленные и точные» измерения т.н. «недоизмеренного» фазового сдвига Дф' в малом диапазоне, т.е. внутри Х/2, существенно повышая разрешающую способность лазерного интерферометра и реализуя тем самым дифференциальный метод измерения.
Частотомер 8 измеряет частоту сигнала с выхода системы ФАПЧ 7 и формирует выходной сигнал / для последующей компенсации нелинейности ФЧХ фотоприемного устройства 6. Также частотомер 8 используется для блокировки фазометра 11 при превышении максимальной скорости движения объекта: у>у1 и выходе за пределы «медленных и точных» измерений.
1.1. «Быстрые и грубые» измерения перемещений в большом диапазоне. Такт «быстрые и грубые» измерения реализуется при у>у1, когда фазометр 11 заблокирован, а измерения фазового сдвига Дф изм входного измерительного сигнала в большом диапазоне, т.е. по всей длине перемещения Д/ объекта осуществляются интерполятором 9. Его разрешающая способность Д/рс1 измерений перемещений и фазового сдвига связаны с погрешностью квантования интерполятора: Дф «Дф , для к = 32
1 1 т инш Ткв'^ инш
и N1 = 4 [5], согласно (1), составляет Д/рс1 = Х/64« «0,01 мкм и Д^^^ра = я/16 = 0,2 рад соответственно.
Формируемый интерполятором 9 выходной цифровой код N, опасывается формулой:
(3)
А1 а 2фино + 1 'А1'
А1рс1 _ ."Яс
гласно (3). Кроме того, фазометром 11 измеряется т.н. «недоизмеренный» фазовый сдвиг ДфВ в малом диапазоне между цифровым сигналом кода Минш и входным измерительным сигналом, т.е. в пределах погрешности квантования интерполятора 9. При этом парвый разрад фазометра 11 может быть продолжением последнего (рис. 2а) или предпоследнего (рис. 2б) ртзряда ио=а N для повышения помехо-усывйривости =з мар ений, но в ущерб разрешающей спосо бносаы фаз о метры Д/рс2.
Поэтому максимальное значение входного фа-зоваго сдвига Дф фазометра 11 равно погрешности кванзования имерпзлятодв, а разрышающая спо-соЫноать Д/рс2 определяется выражением:
А1„
Я
2
2
(4)
где кфаз = 2 Дс, а кфаз и фДфаз — коэффициент измерения и раз2ядност2 фазометра.
Формиремый фазодетром 11 выходной цифро-воя роа 1аф(ет, опр дывается са ор мулой:
ф а
1У фаз
А - Фи„ф ■ 1рс1
А1„,
11
AL
-ф,.
111 „.
А1„
а 2Р
- ф ■ 2ФД"з -фн
ф ино 2
(5)
1.2. «Медленные и шочные» измерения перемещений в малом диатазоне. На такте «медленные и точные» измерения реализуется дифференциальный метод измерения, когда на малой скорости при у<у1 совместно работают интерполятор 9 и высокоточный фазометр 11. Интерполятором 9 (и счетчиком 10) измезяет ся ф азо вый сдв и г Дфизм вх здноз о измерительного сигнала ы аольшом дыапазоне, со-
И тотовый резуеьтат измерения перемещения Al за два такта межно записате как; сумму коаов Nu¡im и ифс1г с учетом разрешающих способностей интерполятора А1ря о ере азо метр т ВН1рс2 о
11 а А1ино + А1Даз а фино ■ А1рс1 + ффаз ' А1рс1 . (6)
2. Фазо-ций]эовое преобразование при двухтактно и измерении перемещений объекта. Режимы работы и нтерпо;шт ора 9 и фазометра 10 опре-
N„,
И
а)
й
Ни
б)
JV,
фаз
Рис.2. Выходные цифровые коды интерполятора N и фаз ом ет=а со смежным «соединением разрядов» (а) и с перекрытием их на один разряд (б)
a
Ui,
й _ I—
1/2
Um
Un
____.£j
к щи
а)
б)
Рис. 3. Схема интерферометра перемещений с фазо-частотным интерполятором [5]
ф а
ино
дедают особенности ФЦП ка^адого« а получаемые основныехарактеристики тассегот2енл1 е«лте.
2.1. Фазо-циЫровое ереобразование при интер-помцеи фазовогее сдвига для «бегстрыо и гребык» измерени4 перемещений объектог « в белзшем диапазоне».
Првищип ФЦП интерчолавора Нааизоы к быстродействующим паравтельным баЦ««. В ос но -ве таких репений л«жит с]ве]нненин снгнала с текущим фазовым сдвигом с сегданаым наеоуоы сигналов с опорныыи значаниями фаз [8]. При этом текущий фзаотый здвызг преобразуется в пабер импульсов, поетупаюацих в ^[тве^шнып ертф^тоэтте^ты, осуществляющий накопление. Подобную межнв ]тб-е ализовасо при испсыьзоваттыи ваППора т баваненых смесителей [9] или делителя с наборвты из п р^ези-еторо« ртич. 3] ] еб] .
Так, сотлаано схеме (рио. 3) ]51, с вытеда PHTe« феыенционното преобрвеоватсля 1 поступсют два сигнала, сдвинут««; по фазе еа «тиые: ¡ор « И« sin¡KST)
ч 27!
I « И cosCOPС) , где O « — —
Не
оптическое вотыовоечисло, ы0 — амилитуда напряжения, И1 — измерсемое перемещение.
После инвертирования сигналв Uí на выходе инве]тора 2 появится сигнал Ы3 « Ы0 sie(OPC н г). Сигналы « и U- отдаются иа ]созкртивный делитель 3, на выходе которего колунаются сдвинутые по фазе на г/л сигналы. Резистивный делитель 3 состоит и« г сопротивлений. Иигнелс-, свииаемые с верхних пн схеме л/2 сопротивлений,описывают-ся выраыениыми:
m m
Иа « RR И,ы0 sin Ox н RR И,ы0 sin oOx =
и ы2 « ыт sin| еее н — С « ы0 сол(кее), где к
Уты0 sinl Ox н ■
«va
am «RR R,
(7)
RR и,,
где ■ m
mr h '=1 '=mн ]
tg-.
n a«
Снимаемые с каждо1ю сопротивления электрические сигналы сдвинуты по фазе на n/n. енач ееия со пеотивлени й R—R4 рассчиты-
е,
= tg— ] 1 6
уравнений:
е i о ее
е,
е1 о ее о ее о ее4
-= tg—
-ее, 16
r о r2 о е
3я
r о ее,
ее,
- = tg--При этом с опротивле -
о ее, 16
описываются выражениями: U = U cos| kx о--
15,71^
kx о — 16
Ul6 =6 U0 cosí kx о
16
2.2. Фазо-цифровое преобразование при измерении фазового сдвига для «медленных и точных» измерений перемещений объектов «в малом диапазоне». Особенности ФЦП фазометра в двухтактном лазерном интерферометре заключаются в малом диапазоне входного фазового сдвига Дф'вх (см. п. 1.2), в возможности высокой частоты сигнала (до 40 — 60 МГц, как в [6]) и том, что один из входных сигналов, в частности с выхода интерполятора, является цифровым кодом N .
Кроме того, управление работой (включение/ выключение) фазометра 11 должно осуществляться в зависимости от сигнала частотомера 8 (рис. 1а), означающего превышение/недостижение порого-войскорости v1.
Для измерения фазового сдвига Дф' с перечисленными особенностями наиболее подходящими являютсяцифровые фазометры с гетеродинирова-нием [10—12], с понижением частоты, например, за счет введения дополнительного малошумящего кольца системы ФАПЧ [13], основанными на обработке цифровых последовательностей двух входных сигналов. При использовании фазометра на таких принципах работы можно осуществить перенос частоты сигнала на промежуточную частоту »6,0 МГц с доплеровским набегом частоты 1доп до ±0,5 МГц и соответствующим значение пороговой скорости v1<0,15 м/с. Собственные шумы и, соответственно, разрешающая способность такого фазометра могут быть на уровне Дфш = 2тс10~7 рад [9].
3. Анализ шумовых параметров адаптивного лазерного интерферометра. Известно, что для фазовых гетеродинных лазерных интерферометре в погрешность измерения фазы Дф , влияющая на разрешающую способность ык1рс, зависит от адаптивной смеси сигнала и дрнбовлао шума из-за фонового освещения [2]. При этом для повышения соотношения сигнал/шум АО модулятор следует располагать «навходе» лазерного кнтерферометра [14].
Но при использовании в измерительной схеме после фотоприемника системы ФА1Ч (рис. 1а) параметрами, определяющ ими раз ре шаю щую способность Д1рс, в основном становятся фазовые фли-кер-шумы 5ф(/) выходного сигнала системы ФАПЧ, спектральная плотностр тощности(СПМ), которых определяется формулой [13, 15—17]:
s9(f )=A
(8)
где А,
масштабный коэффициент, определяю-
ния е5-е8 равны соответственно R ^ R 4. П о этому значения сопротивленлм, рассчитанных по фор -мулам (6), пролноциональны следуюнтим кооффи-циентам: е1=1, е2 = 0,765, е3 = 0,Т5, ЛЫ4 = 0,6, е5 = 0,6, е, = Ы6°, е, ы0,765, е,м 1. Зтаоения о отальных
6 ' ' 7 ' ' 8
вост]лы соарооинлений ^вны относительонтм значениям первых вышеуказанных лапоотивоений. И тогда сигналы нь выходе резистивного длмителя
С выхода резистивного делителя эти сигналы пода-ютсяна логическийблок 14, в которомформируют-ся 32 импульса на каждый порядок интерференции. За счет двойного хода луча дискретность отсчета перемещений составляет Х/64.
щий амплитуду шума, у — параметр формы спектра со значе нием у вплоть до 4 [ 15, 16].
Функция 5ф(/) имеет нелинейный характер (рис. 4б), но весь частоттый диапазон обычно разбивается на 5 поддианазтнов.аппроксимируя каждый из них цельночисленным значением у: частотный шум соуноаных бмужданий (у = 4) в диапазоне [0; /1]; частотный фликер-ш^1 (у = 3) в диапазоне [/1; /2]; белый частотный шум (у = 2) в диапазоне [/2; /3]; фазовый фликер-шмм (у= 1) в диапазоые [/3;/4]; белый фазо в ый шум (р = 0) в миапазоне, начинающемся с частоты /1. И с учетом этого значение Бф(Г) можно оценить суимарнт мо нескольким частотным поддиспрзтмам р. в выбфанном частотном диапазоне
Sp00 = Е vт
(9)
I «]
а) б)
Рта. 5. ГрафикиАЧХ (а) и ФЧХ (б) фотоприемного устройства [6]
С помощью (9) можноопределить фазовую неопределенность Дер в радианах частотного диапазона [0;/1], где значениг; /1 < 60 МГц для [6]:
Ы6Ш
К оо^
(10)
или неопределенность фронта сигнала (джиттер) Дíш во временной шкале в секубздат (или их долях)
н,„,
(11)
Эти параметнб1 обязаны между собой уравнением:
н6ш
езза • но..,
(12)
а результат расчета может аыть иапользован для определения достижимого уровня еазрешающей способности Ы лкзерноно интерферометра:
Ырс к
О • Ыб,
ш о • а •ыОш
Нз
а3)
Основным иссоеникоа фееовых шумов в выходном сигнале сисоемы ФАПЧ является перестраиваемый генеааткр, реаФ^в^;зооанный на осфвве генератора, упреоляемого напртжением (ГУН) им с использованием резонатора на основе железо-иттриевого гранате (ЖИГ)] т.ф. ЖИГ-генераторы. Джиттер Д^ аучших варианаое соеременных ГУН
может быть снижен до 0,8 — 5 пс [18, 19] и достигать еще меньших значений при условии, что ЖИГ-генераторы имеют, как правило, преимущество по фазовым шумам перед ГУН [20].
В реальной схемотехнике, помимо фазовых шумов (джиттера) ГУН, имеются еще дополнительные неидеальности и источники шума: шумы элементов системы ФАПЧ, в т.ч. шумы фазового детектора, шумы по питанию, в т.ч. от работы цифровых схем, зависимость временных задержек логических вентилей от напряжения питания, собственный аналоговый шум вентилей и др. [21].
Однако следует принять, что наличие ГУН с малым джиттером предполагает также и наличие малошумящих блоков и устройств для работы в составе системы ФАПЧ для совместной работы с ним. Также быстрое совершенствование электроники, в т.ч. и в направлении снижения шумов, позволяет использовать вышеуказанные данные джиттера частоты ГУН для последующих расчетов.
Итак, при использовании формулы (13) и джит-тера «3 пс на частоте 60 МГц разрешающая способность лазерного интерферометра может составить Д/рс«Х/10000. Как видно, полученный результат Д/рс«Х/10000 позволит повысить достигнутый ранее уровень в «3,3 и в 10 раз по сравнению со значениями Д/рс, определенными в [7] и [2, 6] соответственно. Как следует из вышесказанного, по уровню фазовых шумов данный результат близок к околопредельному уровню для современных генераторов.
4. Анализ динамических параметров адаптивного лазерного интерферометра. Для оценки динамических параметров проанализируем частотные диапазоны предлагаемого лазерного интерферометра
в
с учетом особенностей АЧХ и ФЧХ оптоэлектрон-ного канала. В дальнейшем направление приближения и удаления контролируемого объекта выбраны в соответствии со схемой лазерного интерферометра и использовании Е(0) и Е(+1) дифракционных порядков, формируемых АО модулятором 2 (рис. 1а).
4.1. Особенности АЧХ и ФЧХ оптоэлектронно-го канала. В [6] расчетным путем были получены АЧХ и ФЧХ (рис. 5) фотоприемного устройства с интегрированным предусилителем РРБ310-РУ (Меп1о8уз1еш8) в частотном диапазоне вплоть до 60 МГц с отклонением от реальных характеристик не более 5 %. Как видно, он имеет достаточно широкую АЧХ (рис. 5а), коэффициент усиления кус>20 дБ в частотном диапазоне [»100 кГц; 70 МГц].
В полученной ФЧХ (рис. 5б) проявлена нелинейная зависимости фазового сдвига от частоты сигнала Дффп(Г) составляет Дффп1»420 град и Дффм2» »70 град для частотных диапазолюв [1 МГц; 40 МГр] и [40 МГц; 60 МГц] соответственно с учетом того, что частота АО модуляцик [аот тентов.«!ет 40 МГц.
Устранение Дффп1 и Дффп2 возможнн зо лнет пртр-варительной калибровки при изменении частоты сигнала / используем л г о фнтоп л® отыготр устрт йс тва и введения компенсирующио н^итов !аз Дф(фп1 и Дф'фп2 в полученньш результат измерений (рис. 1а). Другой вориант зтключаерся в формировании опорного оптоэлектронного кйнала в системе ФАПЧ со вторым фотиприемным устройством с аналогичной Ф ЧХ и сойолетствзрощим устранении нелинейных Дффп1 и Дффп2 (рис. 6). Такте техническое решенме прииспоонении кодоуяемвля-емых генераторов ГУН илм >ф(]мГ рудре состоять из фазового детектора 16, фильтра низких час от 17, генератора 1Ю лтгмческзр соемы 19, реверсивного счетчика 20, генераторе! (ГУ1:! =ла ЖИГ) м1: излучателя (например, полупроводникового лазера) 22, световода 23 и второго фотопфиемно!о устройства 24 (нумерация блоков на рис. 6 ародрлжает нумерацию на рис. 1а, б).
4.2. Расчет максимальной скорости приближения vприб контроли=уемого объекта. Приближение контролируемого объекта соотвелсввура сволению частоты АО модуляции /' и доплеров ского набега частоты / : / =/ + / . Мароимальное значе-
доп прио аом доп
ния /приб ограничивается быст=одействиам измерительной схемы, основным ограниуением в которой можно считать верхнле зночение частоты АЧХ фотопреобразователя, тогда /приб={фп. С учетом вы-
АМА
шесказанного и тог о, что 0
У
максимальной скорости приближения vприб контролируемого объекта пр>инумает вид:
е°фл 0аом С * У
(14)
16
[ А'фф„
24
л 7 м 11
19
23 с ас тома ФАПЧ 7 Д
22 -г 21
20
АМА
к интерполятору 9, частотомеру 8 и фазометру 11
Рис. 6.Схема системы ФАПч с введенным опорным оптоэлект°зоным кшалом
ввое определяется минимальным значением частоты измерительного сигнала »1 МГц, определяемого сущессвшнным увеличением среди всех шумов уровня ни зко частстн ыс фшикер-шумов (1//) [13, 15, 16]. Тогдо /уд =1 МГц и, соответственно,
"""" т (0в, поличая искомое
0 - 0 т о --
аос вос аос
уравнение:
У
еваос - яов с-у л
(15)
, ыражение
При использовании твердотельного ОвОМ на основе парателлурита / =40 Муц и /. =
1 ^ 1 аом 1 фп
= 60 МГц для фото приемного устройства с интегрированным п тедусилителем РРБ310-РУ (Меп1о8уз1еш8) [6], Х = 0,6328 мкм, и тогда, согласно (14), получаем ^риб=6,3 м/с.
4.3. Расчет максимальной скорости удаления vуд контролируемого объекта. Удаление контролируемого объекта соответствует вычитанию до-плеровского набега частоты / из частоты АО
доп
модуляции / : / = / — / . Минимальное значе-
аом уд аом доп
При использовании твердотельного АОМ на основе парателлурита /ом = 40 МГц и /фп = 60 МГц для фотоприемного устройства с интегрированным предусилителем РРБ310-РУ (Меп1о8уз1еш8) [6], Х = 0,6328 мкм, и тогда, согласно (15), получаем v «12,3 м/с.
прио
Заключение. 1. Двухтактный режим работы лазерного интерферометра основан на его адаптивной подстройке разрешающей способности Д1рс в зависимости от скорости движения с «быстрыми грубыми» и «медленными точными» измерениями и поочередным достижением максимальных скорости движения контролируемого объекта и разрешающей способности соответственно.
2. Максимальные скорости контролируемых движений объекта у^ на такте «быстрых грубых» измерений лазерного интерферометра может составить до »12,3 м/с (при удалении) и »6,3 м/с (при приближении) при частоте АО модуляции /аом = = 40 МГц соответственно.
3. Максимальное значение достижимой разрешающей способности Д1рс лазерного интерферометра на такте «медленных точных» измерений соответствует »Х/10000 за счет введения в измерительную схему лазерного интерферометра системы ФАПЧ с особо малым джиттером выходного сигнала.
4. Компенсация нелинейности ФЧХ фотоприемного устройства Дффпу(Д/) может быть осуществлена за счет его предварительной калибровки на всем частотном диапазоне или путем введения опорного оптоэлектронного канала со вторым аналогичным фотоприемным устройством с аналогичной ФЧХ.
Библиографический список
1. Капезин С. В. Повышение точности лазерных интерференционных акустооптических измерительных систем методом автоматической компенсации: дис. ... канд. техн. наук. М., 1984. 292 с.
2. Игнатов С. А. Повышение разрешающей способности лазерных измерительных систем для контроля оборудования
б
и
ГПС методом акустооптоэлектронной обработки информации: дис. ... канд. техн. наук. М., 1987. 231 с.
3. Бабкина T. В., Григорьянц B. В., Ильин Ю. Б. [и др.]. Автоколебательные режимы лазерного генерирующего интерферометра Маха —Цендера // Квантовая электроника. 1991. Т. 18, № 2. С. 259-261.
4. Балакший В. И., Нагаева И. А. Оптоэлектронный генератор на основе акустооптического взаимодействия // Квантовая электроника. 1996. Т. 23, № 3. С. 261-264.
5. Пат. 2016381 Российская Федерация, МПК G 01 В 21/00. Способ автоматической интерполяции порядка интерференции и устройство для его осуществления / Михальченко Е. П., Рюмин А. В., Яковлев Н. А. № 4911739; заявл. 15.02.91; опубл. 15.07.94.
6. Гришин С. Г. Гетеродинная лазерная интерференционная система для измерения линейных перемещений с анизотропным акустооптическим преобразованием частоты света: дис. . канд. техн. наук. М., 2012. 200 с.
7. Леун Е. В. Особенности схемотехники акустооптиче-ских лазерных систем для измерения перемещений с фазо-цифровым преобразованием // Технология машиностроения. 2002. № 5. C. 33-40.
8. Чулков В. А. Теория и технические принципы фазовой интерполяции в устройствах синхронизации и преобразования информации: дис.....д-ра техн. наук. Пенза, 2011. 356 с.
9. Пат. 2016380 Российская Федерация, МПК G01B21/00. Способ автоматической интерполяции фазового сдвига в лазерных интерферометрах и устройство для его осуществления / Михальченко Е. П., Рюмин А. В., Яковлев Н. А. № 4911738; заявл. 15.02.91; опубл. 15.07.94.
10. Гончаренко А. М., Бугров С. В., Воевода А. А. [и др.]. Метрологические испытания цифрового прецизионного фазометра // Сборник научных трудов Новосибирского гос. техн. ун-та. 2009. № 2 (56). С. 109-114.
11. Пат. 2582625 Российская Федерация, МПК G 01 R 23/02. Фазометр / Жмудь В. А., Ляпидевский А. В. № 2015106094; заявл. 20.02.15; опубл. 27.04.16. Бюл. № 12.
12. Пат. 2225012 Российская Федерация, МПК G 01 R 25/00, H 03 D 13/00. Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты / Гончаренко А. М., Васильев В. А., Жмудь В. А. № 2002110630; заявл. 19.04.02; опубл. 27.02.04.
13. Рыжков А. В., Попов В. Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь, 1991. 264 с. ISBN 5-25600623-1.
14. Базыкин С. Н. Информационно-измерительные и управляющие системы на основе оптико-электронных приборов: дис..... д-ра техн. наук. Пенза, 2017. 286 с.
15. Якимов А. В., Клюев А. В., Кревский М. А. Природа вносимого фазового 1/f шума в автогенераторах диапазона СВЧ // Радиотехника и электроника. 2020. Т. 65, № 1. С. 9095. DOI: 10.31857/S0033849420010076.
16. Коган Ш. М. Низкочастотный токовый шум со спектром типа 1/f в твердых телах» // Успехи физических наук. 1985. Т. 145, № 2. С. 285-328.
17. Бельчиков С. В. Фазовый шум: как спуститься ниже -120 дБн/Гц на отстройке 10 кГц в диапазоне частот до 14 ГГц, или Борьба за децибелы // Компоненты и технологии. 2009. № 5 (94). С. 139-146.
18. Генераторы кварцевые ГК-152-УН-А. ЗАО НПФ «БМГ ПЛЮС». URL: http://www.bmgplus.ru/images/pdf/pdf152a.pdf (дата обращения: 10.04.2020).
19. Генераторы, управляемые напряжением серии 6U. Даташит для 6U-10.000MBE-T (TXC), 6U-25.000MBE-T (TXC), 6U-16.38. URL: https://www.terraelectronica.ru/ pdf/show?pdf_file = http%253A%252F%252Fwww.farnell. com%252Fdatasheets%252F 1740905.pdf (дата обращения: 10.04.2020).
20. Ченакин А. ГУН или ЖИГ? Проблема выбора при проектировании высококачественного синтезатора с ФАПЧ // Электроника: наука, технология, бизнес. 2012. № 6 (120) С. 118-122.
21. Ри Бак Сон. Теоретические основы создания судовых малошумящих когерентных радиоэлектронных систем обеспечения безопасности плавания в современных условиях судоходства: дис.....д-ра техн. наук. Владивосток, 2006 400 с.
ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер. SPIN-код: 6060-8056, AuthorlD (РИНЦ): 367560 AuthorlD (SCOPUS): 57200722184 Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru
Для цитирования
Леун Е. В. Повышение быстродействия и разрешающей способности акустооптических гетеродинных лазерных интерферометров перемещений. Адаптивный лазерный интерферометр // Омский научный вестник. 2020. № 3 (171). С. 92-98. DOI: 10.25206/1813-8225-2020-171-92-98.
Статья поступила в редакцию 14.04.2020 г. © Е. В. Леун
