Лазерные гетеродинные фазочувствительные системы измерения малых перемещений и скоростей

• Автор: Орлов, Валерий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 172 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И
СКОРОСТЕЙ В ОПТИКЕ
1.1. Оптические методы измерения перемещений и скоростей
1.2. Основные схемы лазерной интерферометрии перемещений и доплеровской анемометрии
1.3. Применения лазерной интерферометрии перемещений и доплеровской анемометрии
1.4. Основные проблемы измерения малых перемещений и скоростей лазерными методами
Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЛИНИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ПРОТЯЖЕННОЙ АТМОСФЕРНОЙ ТРАССЫ
2.1. Гетеродинная лазерная система для дистанционных фазовых измерений
2.2. Основы теории распространения света в турбулентной атмосфере
2.3. Изучение влияния турбулентной атмосферы на спектральную линию лазерного излучения с длиной волны 3.=0.63 мкм
2.4. Выводы
Глава 3. ИЗМЕРЕНИЕ МАЛЫХ ОТНОСИТЕЛЬНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НА
БОЛЬШИХ РАССТОЯНИЯХ В УСЛОВИЯХ ОТКРЫТОЙ АТМОСФЕРЫ
3.1. Экспериментальные исследования фазовых флуктуаций лазерного излучения в условиях открытой протяженной трассы
3.2. Испытания гетеродинных большебазовых С02 лазерных систем
3.3. Возможности повышения чувствительности большебазовых измерений деформаций земной коры в условиях открытой атмосферы
3.4. Выводы

Глава 4. ПРЕЦИЗИОННЫЙ ГЕТЕРОДИННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ДЕФОРМОГРАФ ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ШТОЛЬНЕ БАЙКАЛЬСКОЙ РИФТОВОЙ ЗОНЫ
4 Л .Наблюдение земных приливов с помощью двухкоординатного лазерного деформографа
4.2. Регистрация собственных колебаний Земли
4.3. Наблюдение аномалий в поведении деформаций земной коры накануне землетрясений
4.4. Новый подход к измерению линейных перемещений и деформаций в присутствии атмосферы
4.5. Выводы
Глава 5. ВЫСОКОРАЗРЕШАЮЩИЙ ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР СВЕТОВОГО РАССЕЯНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ МИКРОЧАСТИЦ С МАЛЫМИ СКОРОСТЯМИ
5.1. Описание методики измерений и схемы спектрометра
5.2. Спектрометрические исследования формы линии рассеяния света броуновскими частицами, включая микрочастицы крови человека
5.3. Автоматизированный лазерный измеритель инфранизких скоростей в экспресс-диагностике физических параметров микрообъектов для целей медицины и биологии
5.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Вопросы точного измерения перемещений и скоростей будут всегда занимать в науке и технике исключительно важное значение, поскольку движение является основой всех процессов, протекающих в окружающем нас мире. Существуют различные методы контроля и измерения указанных величин, однако наибольшей точностью обладают оптические, основанные на явлениях интерференции света и доплеровского сдвига частоты. Большие потенциальные возможности методов классической оптики по существу начали проявляться только после создания лазеров - источников когерентного, высокомонохроматического излучения. С их появлением в оптике, в частности, возникли новые направления - лазерная интерферометрия перемещений и лазерная доплеровская анемометрия. Исследования в этом направлении показали, что лазерные методы и средства позволяют бесконтактным способом и дистанционно измерять перемещения и скорости различных объектов с высокой точностью и в широком диапазоне измеряемых величин. Благодаря развитию универсальных фазочувствительных лазерных методов достаточно быстро выросла сфера их научных и технических приложений. В настоящее время лазерные системы широко используются не только как метрологическая основа большого поля измерительной техники, такой как дальнометрия, анемометрия, деформография, локация, спектрометрия светового рассеяния и т.д., но и являются мощным научным инструментом в целом ряде диагностических задач, например, в оптике атмосферы, химии, биологии, медицине и др. В зависимости от сложности решаемых задач адекватно возрастают и требования как к самим лазерным методам и средствам измерения и исследования, так и их совершенствованию. Прошло уже около 30 лет с тех пор, как лазерные методы измерения перемещений и скоростей начали свое бурное развитие.
Впервые лазерный интерферометр для измерения механических колебаний был представлен в 1962 году в работе [1], а схема первого лазерного доплеровского измерителя скорости (ЛДИС) для локальных измерений жидкостных потоков в 1964 году в [2]. Чуть позднее появились лазерные интерферометры перемещений (ЛИП) [3,
применение для изучения кровотока в микрососудах, скорость которого У>100 мкм/с не так уж мала.
В связи с поиском лазерных диагностирующих методик высокочувствительных к слабым динамическим рассеяниям, самостоятельный интерес представляет метод внутрирезонаторного приема. Метод активного воздействия объекта на лазер, путем обратного рассеяния или отражения, начал свою историю с краткого сообщения [7]. Работа такой схемы имеет наглядное описание в модели лазера с трехзеркальным резонатором, в которой в качестве объекта выступает внешнее зеркало с малым коэффициентом отражения. В активной схеме дополнительная добротность лазера зависит не только от отражательной способности объекта, но и от его положения относительно выходного зеркала основного лазера, т.е. от фазы отраженной волны, поэтому движение объекта вдоль лазерного луча приводит к модуляции интенсивности лазерного излучения. Частота модуляции, согласно эффекту Доплера, определяется сдвигом Дсо=2кУц (V|| -составляющая скорости на направление генерируемого луча) и может быть измерена стандартной аппаратурой. Эта же идея была вскоре применена для изучения колебаний [95]. Вопрос о предельной чувствительности такой схемы к слабым обратным рассеяниям был поставлен и исследован в [8]. В ней показано влияние малого обратного отражения на амплитуду и частоту лазерного излучения, и предлагается использовать его для измерения слабых рассеяний с коэффициентом отражения объектов по амплитуде вплоть до 10'6.
Со временем круг лазеров, используемых в активных схемах, был расширен. Например, в [96] изучалась система на основе УАО-Ш лазера с целью внутрирезонаторного гетеродинирования слабого внешнего сигнала, а в [97] рассмотрены возможности лазерной С02 -системы для дистанционных (на расстояниях -100 м) измерений скоростей.
Остановимся на вопросах чувствительности и точности лазерных интерферометров перемещений. Выше уже обращалось внимание на то, какое значение в измерительной системе имеет отношение сигнал/шум и рассмотрены источники шумов, связанные с вариациями фотоэлектрического сигнала. При этом не обсуждался вопрос о принципиальных, физических ограничениях, связанных с дискретной приро-