CC BY
12
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
УДК 681.787.7
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-51-56
ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
И ИНТЕРФЕРОМЕТРА СДВИГА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ГЕТЕРОДИНИРОВАНИЯ В ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
Е.Е. Майоров, А.Г. Федоренко, М.В. Хохлова, Г.Г. Хайдаров, Р.Б. Гулиев, А.В. Дагаев
В работе рассмотрена возможность использования двухчастотного излучения и интерферометра сдвига для реализации оптического гетеродинирование в голографической интерферометрии. Показаны актуальность и перспективность работы, так как оптическое гетеродинирование в голографической интерферометрии преобразует фазовые характеристики в фазу электрического сигнала, что позволяет увеличить точность измерений и диапазон измеряемых величин. В статье предоставлена запись интерференционного поля при поступательном движении медной пластины вдоль оси X. Приведена экспериментальная установка для гетеродинной голографической интерферометрии. Получено математическое выражение для переменного сигнала во времени. Математически показано, что информация о поперечном движении исследуемого объекта находится в разности фаз ф.
Ключевые слова: длина волны излучения, разность фаз, голографическая интерферометрия, метод двух экспозиций, поляроид, гетеродинирование, поперечно-сдвиговая интерферометрия.
В первые были зафиксированы процессы, которые можно отнести к голографической интерферометрии Юрисом Упатниексом в 1963 году [1, 2]. Дальнейшее развитие этой идеи можно наблюдать в работах Пауэлла и Стетсона, где исследована периодичность длины волны излучения He-Ne - лазера [3, 4]. И в 1965 году Стетсон и Пауэлл получили интерференционные поля в реальном времени между реальным объектом и его записью на регистрирующей среде
[5, 6].
Голографическая интерференция - это метод измерения статистических и динамических смещений объектов сложной формы с высокой точностью (до долей длины волны излучения) [7, 8]. В настоящее время существует несколько методов голографической интерферометрии: метод реального времени, метод усреднения во времени, стробоголографический метод, метод двух экспозиций, а также цифровые методы [9, 10].
В данной работе использовался метод двух экспозиций, который достаточно информативный, высокоточный и достоверный [11, 12]. Этот метод применяется для качественного анализа, количественной оценки полученных экспериментальных данных. Метод достаточно прост в реализации, позволяет получать информацию об объектных волнах в различные моменты времени эксперимента, дает возможность наблюдать максимальный контраст интерференционных полос (колец), а также хранить данные длительное время [13, 14]. Используя этот метод можно выделить основные этапы исследования: фиксация процесса на регистрирующей среде; обработка полученных данных; детальный анализ эксперимента.
На сегодняшний день в голографической интерферометрии достигнуты большие успехи в методике фиксации процесса, обработки результатов, качественном анализе и количественном объяснении эксперимента [15, 16].
Анализ литературных данных показал, что наиболее точными и информативными измерительными системами являются фазоизмерительные гетеродинные системы [16-20]. В этих системах фазовые характеристики преобразуются в фазу электрического сигнала. Именно это техническое решение позволило увеличить точность измерений и диапазон измеряемых величин. В данный момент эти системы и комплексы успешно применяются на производствах и в научных исследованиях для измерения параметров материалов и изделий.
Поэтому целью работы явилось возможность использования двухчастотного излучения и интерферометра сдвига для реализации оптического гетеродирования в голографической интерферометрии.
Постановка задачи. Необходимо одним реконструированным световым лучом с использованием двухчастотного лазерного излучения и поперечно-сдвиговой интерферометрии реализовать принцип гетеродинирование.
Метод и объект исследования. В качестве объекта исследования использовалась медная пластина 40x40x20 мм поверхность которой имела сложную вариацию высоты рельефа. Запись велась на высокоразрешающую регистрирующую среду ВРП-М по конаправленной схеме. Пластина смещалась с помощью столика с микрометрическими подвижками от ОСК-2. Фиксировалось поступательное движение пластины в плоскости экспериментально установки по ОХ рис. 1.
Рис. 1. Записанное интерференционное поле при поступательном движении медной
пластины вдоль оси X
Рис. 2. Экспериментальная установка для гетеродинной голографической интерферометрии: А, А'- одни и те же элементы, В, В'- мнимые изображения А, А 1 - интерферометр сдвига, 2 - пластина Х/2, 3 - поляроид, 4 - фотоприемное устройство, 3 - смещение точек поверхности образца, йи - смещение интерферометра
52
Для исследований использовалась экспериментальная установка представлена на рис. 2. В качестве источника излучения использовался лазер с перестраиваемой длиной волны генерации. Основным элементом экспериментальной установки являлся интерферометр сдвига.
Экспериментальные результаты. Рассмотрим случай, когда на одной регистрирующей среде записано два положения исследуемого образца. На объект падает излучение от источника света содержащее две различные частоты v1 и V2 и ортогональными поляризациями. В данном случае для получения интерференции участвует свет, рассеянный от элементов поверхности А и А'. Итак, при освещении регистрирующей среды, содержащей частоты VI и V2, свет, испускаемый от А и А' будет иметь световые волны с частотами VI и V2.
Допустим, что лучи на выходе интерферометра сдвига - это а1, а2, аз, а*. Тогда можно представить выражения для амплитуд, которые формируют интерференционную картину, при-
чем поляроид отсекает световые волны имеющие перпендикуляры его оси.
a _ a e(v+я) a _ a e(v) a _ a Лп') a _ a An'+ч>4)
Wj Wj^v ^ ci2 ci2Q ^ vi3 ^ 4 vi4Q
(1)
Фазы этих волн
Р = Р + Р , Рз = Р + Р , (Ра = Р + Ри + Р , (2)
где ф1 - фаза луча а1, фи - разность фаз (интерферометр сдвига), ф - разность фаз от элементов А и А'.
На выходе интерферометра сдвига интенсивность равна произведению комплексно сопряженных сумм амплитуд.
I = ( + а2 + а3 + а4 )( + а2 + а3 + а4 )* =
, é (v2t+P) + a J () + a J (v2í+^3) , a J (+q>A )
1Q^ I C'/ 2Q ^ '
a1Qe -i (^+Р) + a2Q e -i(t+p) + a3Qe -i (v2t+p) + a4Q e -i (vt+p4)]:
(V1t + P4 ) I
10
— a2 + a a é [(v1 -V2 )t+Pl -4>2 ]+ a a ei [P-P3 ]+ a a é [(v2-Vi >+Pi -q>4 ] +
+ a2Q + a2Q a^ [(v2-Vl >+P2-Pl ]+ aM a4Qei[p2-P4 ] + aw ¿3Q é k-p] +
+ a a é [(v2-V1 )t+k3-4>2 ]+ a 2 + a a J [(v2-V1 >+k3-k4 ]+ a a J [(v1 -V2 ))+k4-Pl ] + i "3^2^ CÍ3Q 1 u,3QU,4Q& I 1
+ ÍJ a é [-k2 ]+ a2 + a a é [(V1 -V2 ))+k4-k3 ]+ a a é [4-k2 ]
40 20 ^"40 ^"40"30c 40 20
Если V2 - Vi = ю, то в (2)
k -k2 — -Ри , P -k — P P -k4 —-(P + P„ ) , P3 -k2 — Р-Ри ,
k - P4 —-P, P3 - P4 — -P
тогда для результирующем интенсивности
I — aiQ + a22Q + a32Q + a42Q + a1Q a2Q [e''{cot-P) + e-i(ä-p)]+
i [t-(p+p
+ aiQ a30
+ a2Q a4Q
+ a3Q a4Q
e ф + еф
e-ф + e,ф
+ ai0 a4Q
+ a2Q a3Q
+ e
-i [t-(р+ри
e' [t+(p-pu)] + e-i [+(p-pu
j' (t-Ри) + e-i (t-Ри
Учитывая, что
+ +
(3)
cos X — ■
e" + é
2
и то, что аю = а20 = а30 = а40 = а запишем (1) в тригонометрической форме
I = 4a2 + 2а2 cos {cot — q>u)+ 2а2 cos <р+ 2а2 cos {<р+ сри - at) +
+ 2а2 cos {< — < + at) + 2а2 cos < + 2а2 cos {ct — <) =
= 4а2 + 4а2 cos {at — <)+ 4а2 cos <+ 2а2 cos {<+ < — at) +
+ 2а2 cos {< — <„ + at). Вся информация об искомом смещении находится в разности фаз ф. Это видно в переменной составляющей сигнала I~ .
I~ = 4а2 cos {at — <) + 2а2 cos {< + < — at) + 2а2 cos {< — < + at)
53
(4)
x
Подводя итог исследованию можно сделать вывод, что при оптико-электронной обработке регистрирующей среды излучением лазера, имеющим две длины волны и поперечно-сдвиговой интерферометрии, появляется возможность реализовать принцип гетеродинной интерферометрии. А именно, сформировать переменный сигнал во времени, определить фазу сигнала, в которую входит ф отвечающая за информацию о поперечном смещении медной пластины.
Заключение. Рассмотрена возможность использования двухчастотного излучения для реализации принципа гетеродинной голографической интерферометрии. Такой подход к смещению оптических частот восстановленных интерферирующих волн позволяет задействовать один опорный пучок при регистрации голограммы.
Реализация указанного принципа возможна при использовании излучения, содержащего волны с различными оптическими частотами и ортогональными поляризациями в сочетании с интерферометрией сдвига. Получены основные математические соотношения для параметров выходного сигнала подтверждают возможность реализации предложенного способа гетеродинной голографической интерферометрии с одним опорным пучком.
Список литературы
1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука. 1970. 855 с.
2. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения. М.: Машиностроение. 1987. 264 с.
3. Геликонов В.М. и др. Когерентная оптическая томография микронеоднородностей биотканей // Письма в ЖЭТФ. 1995. Т.61. Вып. 2. С. 149-153.
4. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Исследование влияния спекл-структуры на формирование интерференционного сигнала и погрешность измерений // Научное приборостроение. 2013. Том 23. №2. С.38-46.
5. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т. Вывод аналитического выражения для разности хода лучей, прошедших интерферометр Жамена // Научное приборостроение. 2013. Том 23. №3. С.76-81.
6. Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров Г.Г., Черняк Т.А. Разработка компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Приборы. 2015. №11 (185) С. 26-31.
7. Майоров Е. Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров Г.Г., Черняк Т.А. Алгоритмы обработки информационного сигнала компьютерной интерференционной системы контроля негладких поверхностей // Научное приборостроение. 2015. Том 25. №4. С.61-66.
8. Прокопенко В. Т., Майоров Е.Е., Машек А.Ч., Удахина С.В., Цыганкова Г.А., Хайдаров А.Г., Черняк Т.А. Оптико-электронный прибор для контроля геометрических параметров диффузно отражающих объектов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. 2016. Т. 59. № 5. С. 388-394.
9. Майоров Е.Е., Прокопенко В.Т., Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Курлов А.В., Хохло-ва М.В., Кирик Д.И., Капралов Д.Д. Экспериментальное исследование метрологических характеристик автоматизированной интерферометрической системы измерения формы поверхности диффузно отражающих объектов // Измерительная техника. №10. 2017. С. 33-37.
10. Шаламай Л.И., Кузьмина Д.А., Майоров Е.Е., Мендоса Е.Ю., Сакерина А.И., Нарушак Н.С. Исследование оптических свойств твердых тканей зуба и композитных материалов по средствам фотометрического анализа // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2020. № 8. С. 11-17. DOI: 10.25791/рйЬог.08.2020.1196.
11. Курлов В.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Таюрская И.С. Экспериментальное исследование разработанной интерференционной системы для измерений поверхности объектов сложной формы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 8. С. 179-189.
12. Кузьмина Д.А., Мендоса Е.Ю., Майоров Е.Е., Нарушак Н.С., Сакерина А.И., Ша-ламай Л.И. Экспериментальные исследования оптических свойств твердых тканей передних зубов и современных синтетических пломбировочных материалов // Стоматология для всех.
2020. № 4. С. 58-62. doi .о^/10.35556Мг-2020-4(93)58-62.
13. Кузьмина Д.А., Майоров Е.Е., Шаламай Л.И., Мендоса Е.Ю., Нарушак Н.С. Использование метода спектроскопии отражения для распознавания подлинности стоматологических реставрационных материалов // Известия высших учебных заведений. Приборостроение.
2021. Т. 64. № 1. С. 63-70. DOI: 10.17586/0021-3454-2021-64-1-63-70.
14. Цыганкова Г.А., Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Константинова А.А., Машек А.Ч., Писарева Е.А. Исследование разработанного интерферометра поперечного сдвига для настройки интерференционных полос при обработке интерферограмм // Приборы. 2021. № 2. С. 20-25.
15. Майоров Е. Е., Машек А. Ч., Цыганкова Г. А., Писарева Е. А. Исследование спектрофотометра ультрафиолетовой области длин волн для анализа спектров пропускания дисперсных сред // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2018. Вып. 4. С. 357- 365.
16. Машек А.Ч., Цыганкова Г.А., Константинова А.А., Майоров Е.Е., Писарева Е.А., Громов О.В. Расчет основных параметров оптико-электронной системы наблюдения и изучения интерференционных структур на голограммах // Известия тульского государственного университета. Технические науки. 2021. Вып. 2. C. 184-192.
17. Громов О.В., Майоров Е.Е., Черняк Т.А., Удахина С.В., Писарева Е.А., Константинова А.А Измерения оптических свойств кожного покрова in vivo под воздействием современных увлажняющих средств // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 3 (105). С. 38-43. DOI: https://doi.Org/10.23670/IRJ.2021.105.3.006
18. Хохлова М.В., Арефьев А.В., Майоров Е.Е., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В., Громов О.В. Экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанного оптического щупа триггерного типа // Приборы. 2021. № 5. С. 8-16
19. Арефьев А.В., Коцкович В.Б., Майоров Е.Е., Пушкина В.П., Сорокин А.А., Уда-хина С.В. Исследование разработанного интерференционного зонда для измерения неровностей реальных поверхностей // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2022. № 2. С. 1-6. DOI: 10.25791/pribor.2.2022.1319
20. Майоров Е.Е., Коцкович В.Б., Пушкина В.П., Арефьев А.В., Гулиев Р.Б., Дагаев А.В. Исследование оптических плоских поверхностей светоделительных пластин средством когерентной оптики // Научное приборостроение. 2022. Т.32. №2. С. 65-74
Майоров Евгений Евгеньевич, канд. тех. наук, доцент, majorov_ee@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Федоренко Андрей Григорьевич, канд. тех. наук, доцент, 12051312@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения (ГУАП),
Хайдаров Геннадий Гасимович, канд. техн. наук, доцент, haidarovgde@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет),
Хохлова Марина Владимировна, канд. пед. наук, доцент, mvxox@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Гулиев Рамиз Балахан оглы, канд. тех. наук, доцент, ramiz63@yandex.ru, Россия, Санкт-Петербург, Университет при Межпарламентской Ассамблее ЕврАзЭС,
Дагаев Александр Владимирович, канд. тех. наук, доцент, adagaev@list.ru, Россия, Ивангород, Ивангородский гуманитарно - технический институт (филиал) «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»
THE POSSIBILITY OF USING TWO-FREQUENCY RADIATION AND A SHIFT INTERFEROMETER TO IMPLEMENT OPTICAL HETERODICATION IN HOLOGRAPHIC
INTERFEROMETRY
E.E. Maiorov, A.G. Fedorenko, M.V. Khokhlova, G.G. Haidarov, R.B. Guliyev, A.V. Dagaev
The paper considers the possibility of using two-frequency radiation and a shift interferometer to implement optical heterodination in holographic interferometry. The relevance and prospects of the work are shown, since optical heterodination in holographic interferometry transforms the phase characteristics into the phase of an electrical signal, which allows to increase the accuracy of meas-
55
urements and the range of measured values. The article provides a record of the interference field during the translational motion of a copper plate along the X-axis. An experimental setup for heterodyne holographic interferometry is presented. A mathematical expression for a variable signal in time is obtained. It is mathematically shown that the information about the transverse motion of the object under study is in the phase difference p.
Key words: radiation wavelength, phase difference, holographic interferometry, two-exposure method, polaroid, heterodination, cross-shear interferometry.
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, majorov_ee@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Fedorenko Andrey Grigorievich, candidate of technical sciences, docent, 12051312@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation,
Khokhlova Marina Vladimirovna, candidate of pedagogical sciences, docent, mvxox@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named after A. F. Mozhaisky,
Haidarov Gennady Gasimovich, candidate of technical sciences, docent, haidarov-gde@mail.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University),
Guliyev Ramiz Balahan oglu, candidate of technical sciences, docent, ramiz63@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, University at the EurAsEC inter-parliamentary Assembly,
Dagaev Alexsander Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, ada-gaev@,list.ru, Russia, Ivangorod, Ivangorodskii Humanitarian-Technical Institute (branch of) «Saint-Petersburg University of Aerospace Instrumentation»
УДК 621.39
БОГ 10.24412/2071-6168-2022-8-56-63
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТ РАЗМЕЩЕНИЯ РЕГЕНЕРАЦИОННЫХ ПУНКТОВ
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ЛИНЕЙНОГО ТРАКТА СЕТЕЙ СВЯЗИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
А.В. Баранцев, В.К. Гойденко, А.С. Соколов, О.В. Яровикова
В статье рассматривается задача формирования оптимальной физической структуры полевого волоконно-оптического линейного тракта (ПВОЛТ) с регенераторами сетей связи специального назначения. Предложен алгоритм расчета параметров ПВОЛТ, позволяющий определить оптимальные места размещения промежуточных регенерационных пунктов по критерию качества оптических сигналов.
Ключевые слова: волоконно-оптический линейный тракт, регенерационные пункты, достоверность.
Одним из путей развития сетей связи специального назначения является повышение устойчивости и пропускной способности информационных направлений, что требует внедрения современных способов передачи информации, основанных на применении волоконно-оптических технологий.
В настоящее время волоконная оптика широко применяется не только для организации телефонной связи, но и для кабельного телевидения, видеотелефонии, радиовещания, вычислительной техники, технологической связи и т.д. Уникальные свойства волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) - широкополосность и малое затухание в волокнах оптических кабелейдают им особые перспективы при построении линий дальней связи.
56
