49141

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Курсовая

Физика

Широкий спектр применения акустооптических приборов возможен благодаря многогранности акустооптического эффекта с помощью которого можно эффективно манипулировать всеми параметрами оптической волны. Усиление слабых акустических волн а также их генерация под действием мощной оптической волны фото-акустические или опто-акустические явления. Под воздействием мощной волны ультразвука в жидкости может наблюдаться в свою очередь генерация оптической волны так называемая соно-люминесценция. Для плоской монохроматической акустической волны...

Русский

2013-12-21

2.4 MB

93 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 3

Белорусский Национальный Технический Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра «Информационно-измерительная техника и технологии»

Курсовая работа

по дисциплине «Физические основы измерений »

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Исполнитель:

Стацкевич П.А.

Руководитель:

Джилавдари И.З.

Минск 2012


СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ--------------------------------------------------------------------------------- 4   1АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ---------------------------------------------- 5      1.1 Природа явления-------------------------------------------------------------------  5     1.2 Волновые конструкции векторов----------------------------------------------- 10    1.3  Характеристики дифрагированного света----------------------------------- 10 1.3.1 Изотропные взаимодействия-------------------------------------------------- 10 1.3.2Анизотропные взаимодействия  ---------------------------------------------- 12                                                                          2. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ПОМОЩЬЮ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА--------------------------------------------15                                                                          2.1 Общие сведенья о акустооптических приборах----------------------------- 15                                                    2.2  Акустооптический модулятор ------------------------------------------------- 16                                                                                2.3 Интерферометр-------------------------------------------------------------------- 17  2.3.1 Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции---------18            2.4 Система измерения координат источников радиоизлучений на основе акустооптического измерителя параметров сигналов-------------------------22          2.5 Акустооптический спектрометр------------------------------------------------------25

2.6 Акустооптический коррелятор--------------------------------------------------------26

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ----------------------- 28                                       3.1 Анализ основных составляющих погрешности измерения          перемещений--------------------------------------------------------------------------- 28                                                                                                                 3.2 Исследование погрешности показателя преломления воздуха--------- 29                      3.3 Определение погрешности измерения расстояний -----------------------  32                          ЗАКЛЮЧЕНИЕ  ---------------------------------------------------------------------------   33                                                                                                      ЛИТЕРАТУРА-----------------------------------------------------------------------------  34

ВВЕДЕНИЕ

Акустооптика - смежная область между физикой и техникой, в которой изучается взаимодействие электромагнитных волн со звуковыми и разрабатываются основы применения данных явлений в повседневной жизни. Взаимодействие звука и света используется в оптике, оптоэлектронике, лазерной технике для управления когерентным световым излучением. При помощи акустооптических устройств можно управлять амплитудой, частотой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и направлением распространения светового луча.

Для обозначения большого количества явлений, связанных с акустооптическим взаимодействием, иногда используют общий термин «акустооптический эффект». Эффект широко применяется в научных исследованиях и в технических устройствах. В частности, акустооптическим методом можно визуализировать акустические поля и контролировать качество прозрачных материалов. С помощью акустооптические фильтров можно  осуществлять дистанционный химический анализ среды. Важнейшей областью применений являются системы оптической обработки информации.  Широкий спектр применения акустооптических приборов возможнен благодаря многогранности акустооптического эффекта, с помощью которого можно эффективно манипулировать всеми параметрами оптической волны.

  1.  АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

1.1 Природа явления

Акустооптический эффект, известный в научной литературе также как акустооптическое взаимодействие или дифракция света на акустических волнах, был впервые предсказан Бриллюеном в 1921 году и затем экспериментально обнаружен Люка, Бикаром и Дебаем, Сирсом в 1932 году.

Применения акустооптических явлений:

-Дифракция света на ультразвуке (акустооптическая дифракция).

-Рефракция света на ультразвуке (акустооптическая рефракция).

-Усиление слабых акустических волн, а также их генерация под действием мощной оптической волны (фотоакустические или оптоакустические явления).

- Под воздействием мощной волны ультразвука в жидкости может наблюдаться, в свою очередь, генерация оптической волны — так называемая сонолюминесценция.

В узком смысле под акустооптическими явлениями понимают только дифракцию и рефракцию света на ультразвуке. Основным явлением, которое используется в современных акустооптических приборах, является акустооптическая дифракция. В основе акустооптического взаимодействия лежит более общий эффект фотоупругости, заключающийся в изменении диэлектрической проницаемости среды  под действием механической деформации a. Феноменологически этот эффект описывается как изменение коэффициентов оптической индикатрисы , вызванное деформацией :

(1)

где - компоненты тензора фотоупругости, i,j = 1,2,…,6.

В случае акустооптического эффекта деформация  создается акустической волной, возбуждаемой в прозрачной среде. Поэтому каждая акустическая волна сопровождается волной изменения показателя преломления среды. Для плоской монохроматической акустической волны, распространяющейся по оси z, можно записать:

,

(2)

где n - невозмущенный показатель преломления, f и k - частота и волновое число акустической волны,  - амплитуда изменения показателя преломления под действием акустической волны:

                                                 .

                                         (3)            

Для падающего света среда с показателем преломления (2) представляет собой дифракционную решетку, движущуюся со скоростью звука v. Проходя через такую среду, свет дифрагирует на неоднородностях показателя преломления, формируя в дальней зоне характерную дифракционную картину.

При рассмотрении дифракции света на монохроматической акустической волне в первую очередь выделяют два предельных режима: раман-натовский (при Q<<1 ) и брэгговский (при Q>>1), где Q - параметр Кляйна-Кука.. Режим Рамана-Ната соответствует относительно низким акустическим частотам f и малой длине акустооптического взаимодействия l   (обычно f < 10 МГц и l < 1 см). Этот тип дифракции наблюдается при произвольных углах падения света на акустооптическую ячейку (Рис. 2,a), а дифракционная картина может содержать много дифракционных максимумов с симметричным распределением интенсивности света. Смежный лазерный луч на входе является нормальным, а акустические лучи имеют несколько дифракционных порядков ( ...-2 -1 0 1 2 3...) на выходе.В противоположность этому, режим Брэгга наблюдается на высоких частотах ультразвука, обычно превышающих 100 МГц. Дифракционная картина, даже при большой акустической мощности , состоит, как правило, только из двух дифракционных максимумов нулевого и первого порядков остальные уничтожены интерференцией. Однако даже эти максимумы появляются только при определенных углах падения света вблизи так называемого угла Брэгга (Рис. 2,b). В этом случае боковой максимум (брэгговский максимум) образуется как селективное отражение света от волновых фронтов ультразвука. Угол Брэгга определяется соотношением(5)                  

     (5)

                                                                   Рисунок 1 – Режим Рамана-Ната

где - длина волны света в вакууме, и - показатели преломления  соответственно для падающего и дифрагированного света.

Рисунок 2 – Режим Рамана-Ната (а), Брэгга (б).

Четко выделенной границы между двумя  режимами дифракции не существует. С увеличением частоты ультразвука угловая селективность акустооптического взаимодействия возрастает, а число наблюдаемых дифракционных максимумов постепенно уменьшается. Традиционно раман-натовский и брэгговский режимы определяются условиями Q << 1 и Q >> 1             соответственно, где Q - параметр Кляйна-Кука. Поскольку только один дифракционный максимум используется в акустооптических устройствах (как правило, первый порядок), то брэгговский режим более предпочтителен из-за малых световых потерь. Но с другой стороны, акустооптическая селективность, присущая брэгговскому режиму, ограничивает частотный диапазон акустооптического взаимодействия и, как следствие, быстродействие акустооптических устройств и их информационную емкость. Если акустооптическая среда является оптически изотропной, то  и соотношение (5) упрощается:

.

                                              (6)

В анизотропной среде возможно два варианта акустооптического взаимодействия. Если в процессе акустооптического взаимодействия не меняется тип оптической моды, то  (рассеяние вида  0=>0) или   (рассеяние вида e=>e), и тогда угол Брэгга определяется выражением (6). Этот вариант акустооптического взаимодействия известен как изотропная дифракция. В другом варианте, известном как анизотропная дифракция, тип оптической моды трансформируется в процессе акустооптического взаимодействия (рассеяние вида 0=>e или e=>0). Поэтому , и зависимость  становится намного сложнее. Кривые 2 и 3 на Рис.4 показывают эти зависимости для относительно простого случая, когда плоскость акустооптического взаимодействия перпендикулярна оптической оси одноосного кристалла. Все другие возможные варианты частотных зависимостей угла Брэгга посетители сайта могут рассчитать на странице "Частотная зависимость угла Брэгга", задав конкретный кристалл и ориентацию плоскости акустооптического взаимодействия.

С точки зрения практического применения все достоинства анизотропной дифракции являются следствием более сложной зависимости угла Брэгга от частоты ультразвука. Так, например, было показано, что наилучшие характеристики у акустооптических дефлекторов получаются в области, где (точка d на Рис. 4). Аналогично, оптимальными областями для модуляторов и фильтров являются области вблизи точек m и f соответственно, и . Аналитическое решение задачи акустооптического взаимодействия может быть получено только для предельных режимов  раман- натовской и брэгговской дифракции. В последнем случае, если дополнительно предположить, что свет падает на ячейку под углом Брэгга, получается следующее выражение для эффективности дифракции:

,

                             (7)

где l×b- поперечное сечение акустического пучка. Параметр M, определяемый формулой

,

                                                  (8)

где p- плотность среды, называется акустооптическим качеством. Это основной параметр, по которому оценивается пригодность материала для акустооптических применений, поскольку, чем выше акустооптическое качество, тем меньшая требуется акустическая мощность для получения необходимой эффективности дифракции.

1.2 Волновые конструкции векторов

Акустооптическое взаимодействие может быть описано используя волновые векторы. Сохранение движущей силы дает  

                                                                                            (9)                       

где   - волновой вектор смежного луча.

       - волновой вектор дифракционного луча.

       K   =  2πF/v  - волновой вектор акустической волны.                     Здесь F - частота акустической волны, проходящей со скоростью v ;  и   - преломляющие индексы испытанные явлением   дифракции лучей.

1.3  Характеристики дифрагированного света

1.3.1 Изотропные взаимодействия

Изотропного взаимодействия также называют взаимодействия в продольном режиме взаимодействия. В такой ситуации, акустическая волна движется продольно в кристалле относительно падающего и дифрагированного лазерных пучков. Угол падения находится в соответствии с углом дифракции. Не происходит никаких изменений в поляризации, связанных с взаимодействием.

Эти взаимодействия обычно встречаются в однородных кристаллах, или в двупреломляющих  кристаллах. В изотропной ситуации, угол падения света должен быть равен углу    Брэгга

                                                         ,                                                 (10)

где- длина волны в кристалле, V является скорость звука и  F-частота.

Рисунок 4 -  Волновая конструкция векторов при изотропном случае

Дифракционная интенсивность света  контролируется непосредственно акустической мощностью P.

,                                       (11)

где                       

Здесь  является интенсивностью падающего света, акустооптической добротностью на кристалле и H и L являются высотой и длиной акустического пучка,  длиной волны падающего света.

Дифракционная эффективность (относительная) представляет собой отношение  :

                                         ,                                                   (12)

где                                  

При заданном положении, если частота  несколько отличается от уровня, необходимого для соответствия критериям Брэгга, дифракция будет попрежнему происходят. Однако, дифракционная эффективность будет снижаться. Данная ситуация проиллюстрирована на рисунке ниже, где акустического волнового вектора, К, больше, чем идеальная "волна Брэгга"-вектор, . Сложный анализ приводит к выводу:

                                                 ,                                 (13)

где   в “этапе несинхронности”.

В изотропном случае:

                                                                                              (14)

При правильной брэгговской частоте  (F= )и эффективности максимально. При увеличении, уменьшается дифракционная эффективность и будет продолжать снижаться вплоть до нуля. Для увеличения пропускной способности, соотношение  (акустические  расхождения)

Рисунок 5 – Эффективность по сравнению с мощностью излучения.

может быть увеличена. Поскольку частота изменяется, то направление дифрагированного луча тоже изменяется. Это является основой для  акустооптических дефлекторов.

1.3.2Анизотропные взаимодействия

В анизотропных взаимодействиях, с другой стороны, показатели преломления падающего и дифрагированного пучков будут отличаться из-за изменения поляризации, связанные с взаимодействием. Это можно видеть на рисунке ниже, где акустической волновой вектор соединяет индекс кривых падающего и дифрагированного волн. (просто представляет собой аналогичное взаимодействие  очень разной частоты ).

Подобная ассиметрия, которая вызывает различие в преломляющих индексах  также приводит  акустическую волну   "в режим сдвига" и, в частности например теллура газа, что приводит к резкому снижению скорости звука.

Рисунок 6 - Волновая конструкция векторов при анизотропном случае

Анизотропные взаимодействия обычно применяют для  повышение эффективности  акустических и оптических полос пропускания. Они используются почти во всех больших устройствах диафрагм. Увеличение пропускной способности возникающих от сдвига в режиме устройства можно увидеть самым непосредственным образом на рисунке ниже, где взаимодействие конфигурации выбраны так, что акустические волны, вектор которой лежит по касательной к эллипсу индекса дифрагированного пучка. Это означает, что длина акустического волнового вектора может меняться довольно грубо и только производить небольшие изменения в длине волны дифрагированного пучка векторов. Таким образом, в данной ситуации  весьма чувствительны к изменениям частоты.  Однако, эти взаимодействия имеют много преимуществ, и большинство дефлекторов используют взаимодействия режиме в сдвига.

Рисунок 7 -  Волновая конструкция векторов при анизотропном случае (касательный)

2. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН С ПОМОЩЬЮ АКУСТООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА

2.1 Общие сведенья о акустооптических приборах.

Измерение физических величин на основе акустооптического эффекта: интенсивность пропускаемого света, фазы радиосигналов, концентрация веществ, энергия (длина волны, частота) излучения. Акустооптический эффект широко применяется как в научных исследованиях, так и в технических устройствах. В частности, акустооптическим методом можно визуализировать акустические поля и контролировать качество прозрачных материалов. Акустооптические фильтры позволяют осуществлять дистанционный химический анализ среды. Кроме того, акустооптические устройства оказываются чрезвычайно эффективными для анализа высокочастотных радиосигналов. Важнейшей областью применений являются системы оптической обработки информации, включая элементы систем оптической связи и оптические процессоры. Разнообразные применения акустооптических приборов становятся возможными благодаря многогранности акустооптического эффекта, с помощью которого можно эффективно манипулировать всеми параметрами оптической волны. Так акустооптические устройства позволяют управлять интенсивностью лазерного излучения, положением оптического луча в пространстве, поляризацией и фазой оптической волны, а также спектральным составом и пространственной структурой оптических пучков. Акустооптическое  взаимодействие  используются в очень широко в  измерительных технологиях.  Важным фактором в любом измерении является чувствительность к небольшим изменениям.  Акустооптические устройства основаны на взаимодействиях оптических и акустических волн в определенных прозрачных материалах. Они широко используются в оптических системах для контроля интенсивности, длины волны и направление пучка света. Существует три  вида акустооптических  устройств, которые широко используются в настоящее время , акустооптические дефлекторов, акустооптической перестраиваемые фильтры и акустооптические модуляторы. Важной особенностью этих устройств является их очень быстрая скорость сканирования и непрерывное сканирование диапазона.

2.2  Акустооптический модулятор

Акустооптический модулятор (рис.8) — устройство для изменения во

Рисунок 8 – Акустооптический модулятор

времени характеристик оптического излучения по заданному  закону, основанное на явлении дифракции света на решётке, образуемой в кристалле в результате изменения показателя преломления в поле акустической волны. Акустооптический модулятор (рис.9) представляет собой прозрачный плоскопараллельный звукопровод 1,выполненный из стёкол или монокристаллов, к металлизированному торцу 2 которого термокомпрессией              крепится пластинка 3 из пъезоэлектрика; к его обкладкам прикладывается переменное напряжение.  Под действием этого напряжения возникают механические

                                        Рисунок 9 – Акустооптический модулятор колебания пластинки пъезоэлектрика, возбуждающая в звукопроводе бегущую акустическую волну, которая поглощается на дальнем скошенном торце. Распространяющаяся в упругой среде бегущая акустическая волна создаст пространственно-временное                                                             распределение давления. Акустооптические модуляторы часто  используются в интерферометрах.

2.3 Интерферометр.   

Интерферометр (рис.10) - измерительный прибор, принцип действия которого основан на явлении интерференции. Принцип действия интерферометра заключается в следующем: пучок света с помощью того

Рисунок 10 - Интерферометр

или иного устройства пространственно разделяется на два или большее количество когерентных пучков. Каждый из пучков проходит различные оптические пути и возвращается на экран, создавая интерференционную картину, по          которой можно установить смещение фаз пучков. Интерферометры применяются как при точных измерениях длин, в частности в станкостроении и машиностроении, так и для оценки качества оптических поверхностей и проверки оптических систем в целом.

2.3.1 Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции.

Рассмотрим частный случай интерферометра - интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции (рис.11).

Рисунок 11 – Измерение расстояний на основе частотной модуляции.

Двухчастотный лазер 1 излучает две волны с частотами υ1 и υ2, одна из которых поляризована параллельно,  а другая - перпендикулярно плоскости  чертежа. Светоделитель 2 отклоняет  часть излучения каждой частоты для формирования опорного сигнала I0.  Поляризационная призма-куб 3 разделяет составляющие излучения разных частот  и  направляет  их  в разные плечи интерферометра. Пластины /4 - позиция 7, оптические оси которых составляют угол 450 с плоскостью чертежа, меняют состояние поляризации дважды прошедших пучков на ортогональное.

Поляризационная  призма-куб  3  обеспечивает  суперпозицию  пучков, возвращенных отражателями 4 и 5,  в направлении I1. После поляризаторов  6,  ось  пропускания которых составляет угол 450 с плоскостью чертежа,  в результате интерференции пучков с разными частотами образуются опорный I0 и измерительный I1 сигналы биения. Поскольку номенклатура двухчастотных лазеров и значения разности частот,  которые они обеспечивают,  ограничены,  в качестве источника излучения часто используют одночастотный лазер, сдвигая частоты ортогональных составляющих его излучения акустооптическими модуляторами, которые устанавливают на входе, выходе или в одном из плечей интерферометра . В этом случае опорный сигнал I0  может  быть получен непосредственно из модулирующих сигналов, подаваемых на акустооптические модулятор.

Частота частотной модуляции,  аналогично частоте фазовой модуляции, ограничивает время измерения . Однако  при использовании акустооптических  модуляторов  она  может  быть установлена достаточно большой,  чтобы этим ограничением можно  было  пренебречь. Тогда время однократного измерения фазы определяется временем задержки фазоизмерительного устройства и составляет для  современных ЛИС около 10 мкс .   Так как ЛИС на основе частотной модуляции обеспечивают время измерения на порядок меньше, чем ЛИС на основе фазовой модуляции, допустимые скорости изменения ГРХ в них на порядок выше.  Эти ЛИС считаются в  большей степени подходящими для высокоточных измерений в реальном масштабе времени .  При равной погрешности  они имеют несколько больший диапазон измерения ГРХ.

    На основе методов прямого измерения фазы  разрабатывают  ЛИС для измерения  медленно меняющихся во времени и незначительных по величине расстояний с высокой точностью.  Основная область применения  таких ЛИС - контроль профиля и шероховатости поверхностей, в том числе оптических. Другая обширная сфера применения - интерференционные датчики физических величин,  изменение которых можно преобразовать в изменение геометрической или оптической  разности хода интерферирующих лучей (давление и влажность атмосферы,  температура, напряженность электрического и магнитного полей и др.).Частотную модуляцию интерференционного сигнала  обеспечивают путем суперпозиции двух волн разной оптической  частоты.  В  этом случае закон изменения интенсивности имеет вид(15)                                                  (15)

где и  - интенсивности,   и  - оптические частоты,   и   - фазы интерферирующих волн. Все переменные составляющие  сигнала  (15), кроме последней, вследствие высокой частоты не могут быть детектированы фотоприемником непосредственно.

    Выбирая близкие оптические частоты интерферирующих волн, получают частоту = -  последней составляющей, удобную для обработки в фотоэлектронной системе.  Эту частоту  называют  сигналом биения. Особенность сигнала биения в том,  что даже в отсутствие изменения  ГРХ между интерферирующими волнами интенсивность изменяется по гармоническому закону.  Если одна из интерферирующих волн проходит дополнительный геометрический путь 2L,  то сигнал биения получает дополнительный фазовый сдвиг  =4p L /l   эквивалентный фазе немодулированного интерференционного сигнала на длине волны  при ГРХ интерферирующих лучей, равной 2L. Чтобы определить ГРХ, измеряют фазовый сдвиг (рис. 11б)

                                                     (t)=2p*t*

между опорным и измерительным сигналами биения:

                            (t)=A0 *cos[2p(- )t+(-)] ,                         (17)                                                                                                                  (t)=A1 *cos[2p(- )t+(-)+  (t)] ,

где A0 и A1 - их амплитуды.

Вместо непрерывного  измерения  разности фаз между сигналами подсчитывают число биений каждого из них   и   и  отслеживают разность DN=  - (рис.  11в).  Если ГРХ в интерферометре не меняется,  частоты  опорного  и  измерительного  сигналов   равны f0=f1=-  , и  DN=0. При движении отражателя 4 частота биения измерительного  сигнала  становится   равной f1= - +D,      где D =D (t) / Dt. Изменение ГРХ равно 2DL= DN*l=( -)*l.

    Знак при  Dn  зависит  от направления движения отражателя 4. Связь между знаками DL и D  остается однозначной до тех пор, пока [D ]<[ - ].Чтобы исключить влияние низкочастотных шумов на работу ЛИС,  обеспечивают ¦D  ¦<[ - ]+  ш, где ш - верхняя граничная частота шумов. Таким образом, в ЛИС со счетом полос на основе частотной  модуляции  имеет место принципиальное ограничение скорости изменения измеряемых расстояний.  В современных ЛИС она  не превышает 1 м/с.

    При счете числа биений сигналов  дискрета измерения приращений  ГРХ равна l.  Для повышения точности измерения уменьшают дискрету счета,  умножая частоты этих сигналов в электронной системе. Чаще всего обеспечивают дискрету  l/64 . Метод счета полос на основе частотной модуляции, также как и на основе квадратурных интерференционных сигналов, не ограничивает максимальное  значение  измеряемых расстояний,  которые в известных ЛИС достигают 100 м.                                                                                          ЛИС со счетом полос применяют для измерения больших расстояний и быстрых линейных перемещений с интерференционной точностью. Благодаря достигнутому уровню технических характеристик и высокой надежности они находят широкое применение в метрологии  (аттестация станков и технологического оборудования, поверка вновь разрабатываемых инструментов измерения расстояний и т.д.).  Очень перспективная  область их применения - преобразователи линейных перемещений координатно-измерительных систем станков и  технологического оборудования.

2.4 Система измерения координат источников радиоизлучений на основе акустооптического измерителя параметров сигналов.

Радиоконтроль является одним из главных элементов системы управления использованием радиочастотного спектра и от технической оснащенности государственной службы радиоконтроля современными комплексами во многом зависит эффективность всей системы управления. Развитие радио и радиотехнических систем как гражданского, так и специального назначения идет по пути освоения более высокочастотных диапазонов, применения сигналов со сложными законами модуляции, в том числе с перестройкой несущей частоты. В этих условиях требования к аппаратуре радиоконтроля существенно повышаются, прежде всего, к таким характеристикам как пропускная способность, точность определения координат источников радиоизлучений и  параметров сигналов. Комплексы радиоконтроля решают также задачу оперативного обнаружения утечки информации по радиоканалу и входят в состав системы комплексной защиты объектов от несанкционированного доступа. Таганрогским государственным радиотехническим университетом разработан акустооптический измеритель параметров сигналов (АОИПС) [2],  позволяющий в широкой полосе частот (до 500 МГц)  с высокой точностью измерять такие параметры импульсных сигналов как длительность, амплитуда радиоимпульса, несущая частота, параметры внутриимпульсной модуляции, относительное время прихода радиоимпульса  рис.12. Высокая точность измерения акустооптическим измерителем времени прихода радиоимпульса позволяет построить на основе АОИПС многопозиционную разностно-дальномерную систему (РДС) с среднеквадратической погрешностью измерения географических координат (долгота, широта) источника радиоизлучений менее 0,001 градуса. Принцип действия многопозиционной РДС и алгоритм вычисления координат источника радиоизлучения по измеренным временам прихода

Рисунок 12 - Акустооптический измеритель параметров сигналов

фронтов радиоимпульсных сигналов постами РТН с известными координатами и расстояниями между ними, подробно описан в [3]. Структурная схема РДС  изображена на рис.13. Многопозиционная РДС состоит из трех постов - центрального и двух удаленных. Каждый из постов включает в себя систему передачи информации (СПИ), навигационную систему GPS, антенные устройства, акустооптический измеритель параметров сигналов. В приборах АОИПС измеряются времена прихода фронтов радиоимпульсов относительно импульсов синхронизации системы единого времени (СЕВ). В качестве устройства формирования импульса СЕВ и определения координат постов использовалась глобальная навигационная система GPS.  Система передачи информации (СПИ) построена на основе базовой станции Aironet AP 352E2R-A-K9, двух удаленных терминалов AIR-PCI 352, усилителей «Manus», соединительных кабелей и антенных устройств. Дальность действия (удаленность периферийных постов от центрального) данной СПИ до 60 км.  Навигационная система GPS, необходимая для синхронизации работы постов, должна иметь наименьшую погрешность формирования импульсов синхронизации СЕВ.

Рисунок 13 -  Многопозиционная РДС

По техническим параметрам выбрана аппаратура GPS типа Acutime 2000. Погрешность формирования импульса СЕВ относительно всемирного времени менее 50 нс. Каждый из трех постов включает в свой состав персональную ЭВМ типа IBM. С удаленных постов через СПИ информация об измеренных параметрах сигналов поступает на центральный пост, где и вычисляются координаты источника радиоизлучения. Приемная антенна представляет собой фазированную антенную решетку с параметрами: ширина диаграммы направленности в диапазоне частот в горизонтальной плоскости Q0,5=600±100; ширина диаграммы направленности в диапазоне частот в вертикальной  плоскости: Φ0,5=200±100. На приемной антенне помещается малошумящий усилитель (Кш£ 1,5 дБ, Ку³ 25дБ). Результаты экспериментов показывают то, что на основе АОИПС может быть построена РДС, принцип действия которой основан на измерении времени прихода по фронту радиоимпульса. Среднеквадратическая погрешность измерения координат цели РДС будет менее 0,001 градуса. Данная система может быть использована для решения задач радиоконтроля и обеспечения информационной безопасности территориально рассредоточенных объектов, охватывая зону контроля порядка 30 км на 30 км.

2.5 Акустооптический спектрометр

Спектрометр —  оптический прибор, используемый в спектроскопических исследованиях для накопления спектра, его количественной обработки и последующего анализа с помощью различных аналитических методов. Анализируемый спектр получается путем регистрации флуоресценции после воздействия на исследуемое вещество каким-либо излучением (рентгеновским или лазерным излучением, искровым воздействием и др.). Обычно измеряемыми величинами являются интенсивность и энергия (длина волны, частота) излучения, но могут регистрироваться и другие характеристики, например, поляризационное состояние. Термин «спектрометр» применяется к приборам, работающим в широком диапазоне длин волн: от гамма до инфракрасного диапазона. 

Рисунок 14 -  Поясняющая схема акустооптического спектрометра

Для регистрации спектра могут использоваться, полупроводниковые детекторы,  сцинтилляционные счётчики, либо детекторы на базе ПЗС линейки или ПЗС матрицы. Спектрометры могут различаться по спектральному диапазону, спектральной чувствительности, оптической схеме. При интерпретации спектров в большинстве случаев производится сравнение полученного спектра со спектром вещества известного состава. Ранние спектроскопы представляли собой простые призмы с градуировкой, обозначающей длины волн света, в современных приборах также используется дифракционная решётка. В акустооптическом спектрометре используется акустооптический модулятор, линза Фурье, лазер,

АО спектрометры предназначены для измерений спектральной плотности оптического излучения видимого и ближнего ультрафиолетового диапазона. Область применения: научные исследования, проводимые методами дифференциальной спектроскопии, спектроскопии переходных процессов и флуоресцентной спектроскопии.

2.6 Акустооптический коррелятор

Акустооптический коррелятор предназначен для нахождения функции корреляции двух сигналов исследуемого S(t) и опорного r(t):

.

Действие коррелятора основано на оптическом перемножении изображений этих сигналов. Свет в акустооптическом модуляторе, дифрагируя на звуковой волне, модулированной сигналом S(t), формирует оптическое изображение этого сигнала. Далее дифрагированный свет проходит через пространственный фильтр, пропускание которого меняется по закону r(x) и собирается на фотоприемном устройстве, на выходе которого возникает сигнал, пропорциональный функции корреляции . В качестве пространственного фильтра может использоваться второй акустооптический модулятор, в котором УЗ-волны модулируются сигналом r(t). В акустооптических корреляторах используется как дифракция РаманаНата, так и брэгговская дифракция (рис. 5). Если в модуляторах 1 и 1' распространяются одинаковые акустические сигналы, то световые лучи, прошедшие через них, будут параллельны падающему лучу. Свет фокусируется линзой 2 на фотодетекторе 3, сигнал с которого в этом случае будет максимальным. Если же сигналы S и r неодинаковы, то сигнал на выходе фотодетектора будет пропорционален функции взаимной корреляции.

Процессоры на основе различных акустооптических устройств могут работать в широком диапазоне частот, вплоть до 10 ГГц. Они применяются в различных системах обработки информации, особенно там, где имеются ограничения по габаритам, весу и энергопотреблению аппаратуры.

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ .

3.1 Анализ основных составляющих погрешности измерения перемещений.

Основными источниками погрешностей являются:  

-температура

-влажность  

-давление

    Физическими пределами,  ограничивающими точность  измерения, являются погрешность измерения фазы интерференционного сигнала D и относительная погрешность длины волны лазера Dl/l. Дифференцируя выражение (18),  максимальную погрешность измерения расстояния можно записать следующим образом:

                                                                               (18)

    При измерении малых расстояний {ближней зоны }(L<<D l2/(4pDl))     DL определяется только погрешностью D.  При измерении больших  расстояний {дальней зоны}  (L>>D l2/(4pDl))     DL  определяется  величиной Dl/l.  В остальных случаях необходимо учитывать оба слагаемых в (18).  Длина волны лазера в воздухе: l=lвак/n, где lвак - длина волны лазера в вакууме,  n - показатель преломления воздуха. Поэтому погрешность длины волны содержит две составляющие:

                                                                                          (19)     

где Dlвак  - погрешность воспроизведения длины волны лазера в вакуме, Dn - погрешность измерения показателя преломления воздуха.

В 1990 г.  на международном симпозиуме "Измерение размеров в процессе производства и контроля качества" для промышленного применения ЛИС физическими пределами, ограничивающими точность измерений,

Таблица 1 Минимальные значения погрешностей, достигнутые на практике в ЛИС

D /2p

                                    Dl/l

Dn/n

Лазер СО2

Лазер He-Ne

Лазерный диод

    10-4

       10-8

        10-9

        10-6

    10-7

   

было принято считать: относительную погрешность длины волны лазера в вакууме 10-10; показатель преломления воздуха - 10-8; а физическими пределами точности измерения длины:  0.01  мкм  для больших расстояний и 1 нм - для малых.

3.2 Исследование погрешности показателя преломления воздуха.

Основные факторы влияющие на нестабильность показателя преломления воздуха это температура , влажность и давление.

Очевидно возникает задача , которую необходимо решить - определение текущего показателя преломления воздуха . Применим метод измерения с помощью соответствующих  датчиков  значений температура  t , влажности e  и давления p.

Применим для вычисления формулу Эдлена :

     (20)

где (nc-1) - рефракция стандартного воздуха  при t=15` и p=760 мм. Рт . ст.

Возьмем реальные границы изменения параметров среды:

-давление воздуха  (720 - 790 мм. Рт. Ст.)

-температура (10 - 30 гр.С.)

-влажность  (средняя 10 мм. Рт. Ст.)

-длинна волны излучения лазера в вакуме (из док .на лазер l=0,6329 мкм)

Таблица 2 Результат вычисления по формуле Эдлена

Давление мм.рт.ст.

nвоздуха при t=100

nвоздуха при t=200

nвоздуха при t=300

720

1.000266

1.000257

1.000248

730

1.000270

1.000260

1.000252

750

1.000277

1.000268

1.000259

770

1.000285

1.000275

1.000266

Из получившихся результатов можно сделать вывод , что показатель преломления воздуха увеличивается при увеличении давления  и уменьшении температуры . Максимальный показатель преломления воздуха будет при t=100 и давлении P=790 мм.рт.ст. nMAX=1.000292 Минимальный показатель преломления воздуха будет при t=300 и давлении P=720 мм.рт.ст. nMIN=1.000248 Определим среднее значение погрешности изменения показателя преломления воздуха без учета параметров среды :

Dn=(nMAX-nMIN)/2     Dn/n= 2.200*10-5

Определим максимальное  значение погрешности изменения показателя преломления воздуха с учетом параметров среды : Определим точность измерения датчиков как:

      p=0.1 мм. Рт. Ст. (для датчика давления)

      t=0.1 мм. Рт. Ст. (для датчика температуры)

Для нахождения максимальной значение погрешности необходимо продифференцировать формулу Эдлена и возьмем сумму дифференциалов для  случая максимального значения погрешности:

   (21)

Соответственно из полученных данных видно , что максимальное значение погрешности изменения показателя преломления при изменении параметров среды будет наблюдаться при температуре 100 и давлении 790 мм. Рт. Ст.

Dn/n= 1.406*10-7  

Проведем анализ результатов полученных при помощи программы MathCad 7.0

Таблица 3  –  Результат  определения максимальной погрешности изменения показателя преломления при изменении параметров среды

                 

Dn/n      t=10’

Dn/n      t=20’

Dn/n      t=30’

P=720

1.314*10-7

1.238*10-7

1.169*10-7

P=730

1.327*10-7

1.250*10-7

1.180*10-7

P=740

1.340*10-7

1.262*10-7

1.192*10-7

P=750

1.353*10-7

1.275*10-7

1.203*10-7

P=760

1.366*10-7

1.287*10-7

1.214*10-7

P=770

1.379*10-7

1.299*10-7

1.226*10-7

P=780

1.393*10-7

1.311*10-7

1.237*10-7

P=790

1.406*10-7

1.323*10-7

1.249*10-7

3.3 Определение погрешности измерения расстояний .

Поставим задачу исследования : т.к на погрешность измерения перемещений влияет погрешность длинны волны  и   нестабильности атмосферных условий  то определим когда  решающей будет погрешность длинны волны , а когда нестабильности атмосферных условий. Исследуем диапазон изменения погрешности длинны волны при значениях  Dlвак/l=10-5  , Dlвак/l=10-7  , Dlвак/l=10-9   Имеем рассчитанные значения погрешности изменения показателя преломления такие как :

Dn/n= 1.406*10-7 ,  Dn/n= 2.200*10-5

Диапазон изменения D   имеем два значения дискреты счета , такие как :

D =p/2   ,      D =p/16 Исследуем диапазон измерения длин в интервале :  L=(1 мкм  до 1 м)  Исследование проведено при помощи программы MathCad 7.0  по формуле (20) После расчета из получившихся зависимостей можно выделить основные три группы:

  1.   Dl/l=10-5

Решающие влияние оказывает погрешность длинны волны и нестабильность атмосферных условий.

          случай : Dlвак/l=10-5  , Dn/n= 2.2*10-5  

          случай : Dlвак/l=10-5   , Dn/n= 1.406*10-7

2. Dl/l=10-7    

Решающие влияние оказывает погрешность длинны волны и нестабильность атмосферных условий.

          случай : Dlвак/l=10-7   , Dn/n= 1.406*10-7                             

3.  Dl/l=10-9 

  Решающие влияние оказывает нестабильность атмосферных условий но, на сегодняшний день реальна погрешность длинны волны Dlвак/l=10-7 .

           случай : Dlвак/l=10-9   , Dn/n= 1.406*10-7    

                                                      ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Эффект широко используется в современной оптике, оптоэлектронике, лазерной технике для управления когерентным световым излучением. Акустооптические устройства позволяют управлять амплитудой, частотой, поляризацией, спектральным составом светового сигнала и направлением распространения светового луча. Важной областью практического применения акустооптических эффектов являются системы обработки информации, где акустооптические устройства используются для обработки СВЧ-сигналов в реальном масштабе времени. В данной работе мы рассмотрели как с помощью акустооптического взаимодействия измеряются разные физические величины.

Рассмотрели какие приборы и детали приборов основаны на данном физическом эффекте. Рассмотрели источники погрешностей .


ЛИТЕРАТУРА

1      Коронкевич В.П. Ленкова Р.А. Лазерные измерительные устройства журнал «Автометрия ».

2 Помазанов А.В., Роздобудько В.В., Дикарев Б.Д. Многофункциональный акустооптический измеритель параметров структурно-скрытых сигналов// Вопросы специальной радиоэлектроники. Общие вопросы радиоэлектроники. Выпуск 3, Москва-Таганрог, ТНИИС, 2001. С.104-117.

3     http://ru.wikipedia.org/wiki/Акустооптика

4  Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. – М.: Радио и связь, 1985. – 280 с.