Представлений аналіз засобів і методів прецизійних вимірювань великих довжин. Показано, що використання сучасних лазерних технологій дозволяє підвищити точність цих вимірів не менше ніж на два порядки

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Могильницький Б.С.


Laser Technology for Precision Measurements of Long Lengths

I'm presented the methods for precision measurements of long lengths. The use of the proposed modern laser technologies can significantly improve the accuracy of measurements of large lengths by at least two orders of magnitude. As you know, the State primary standard of length (meters) GET 2-2010 with a total standard measurement uncertainty of 5.8? 10-12 meters, and a special primary standard of length GET 199-2018 with a total standard uncertainty of 2.23 microns at a length of 60 m, which corresponds to a relative error of 3,7.10-8. In conclusion, the accuracy values ​​of length measurements presented in this paper are comparable to the accuracy values ​​of reference measurements obtained under special conditions using unique devices.


Область наук:
  • фізика
  • Рік видавництва: 2020
    Журнал
    компетентність
    Наукова стаття на тему 'ЛАЗЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ПРЕЦИЗІЙНИХ ВИМІРЮВАНЬ ВЕЛИКИХ ДОВЖИН'

    Текст наукової роботи на тему «ЛАЗЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ ДЛЯ ПРЕЦИЗІЙНИХ ВИМІРЮВАНЬ ВЕЛИКИХ ДОВЖИН»

    ?Компетентність / Competency (Russia) 2/2020 DOI: 10.24411 / 1993-8780-2020-1-0209

    Лазерні технології для прецизійних вимірювань великих довжин

    Представлений аналіз засобів і методів прецизійних вимірювань великих довжин. Показано, що використання сучасних лазерних технологій дозволяє підвищити точність цих вимірів не менше ніж на два порядки

    Б.С. Могільніцкій1

    Новосибірський філія ФГАОУ ДПО «Академія стандартизації, метрології та сертифікації (навчальна)», канд. фіз.-мат. наук, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    1 завідувач кафедри, Новосибірськ, Росія

    Для цитування: Могильницький Б.С. Лазерні технології для прецизійних вимірювань великих довжин // Компетентність / Competency (Russia). - 2020. - № 2. DOI: 10.24411 / 1993-8780-2020-1-0209

    ключові слова

    прецизійний вимір довжини, лазерні технології, точність вимірювань

    емтосекундние, піко секундні та нано-секундні лазери є джерелами надкоротких світлових імпульсів. На їх основі в даний час бурхливо розвиваються нові прецизійні технології вимірювань в багатьох областях науки і техніки. Унікальні властивості лазерного випромінювання, що виникає в режимі синхронізації мод, використовуються для високоточних оптичних вимірювань частот, довжин хвиль, переміщень, деформацій, фізичних параметрів середовищ і матеріалів з метрологічної точністю. Особливо перспективним є використання цих технологій в метрології при створенні нових засобів вимірювань. У статті розглядаються можливості прецизійних вимірювань великих довжин за допомогою зазначених технологій.

    Так, при створенні наземних мереж і еталонних базисів, в тому числі для цілей калібрування і повірки приймальної апаратури системи ГЛОНАСС, необхідні прецизійні засоби вимірювання і відтворення великих довжин. У зв'язку з цим зростають вимоги до точності координатних визначень, їх надійності.

    Для високоточного вимірювання великих довжин широко використовуються лазерні фазові далекоміри і інтерферометри. В даний час ведуться інтенсивні дослідження з розробки і застосування нових більш досконалих моделей засобів вимірювань.

    Аналіз літератури і фізичних можливостей методів вимірювань показує, що реально досягнутий сьогодні рівень точності вимірювань великих довжин на 2-3 порядки нижче межі, що встановлюється фізичними обмеженнями. Значна втрата точності пояснюється складністю фізичних процесів, що відбуваються в сучасних засобах вимірювань

    великих довжин, і, як наслідок, цілим рядом проблем, що виникають в процесі створення основних вузлів подібних пристроїв. Так, в фазової дальноме-тріі одна з основних причин, що обмежують інструментальну точність реальних далекомірів, - недосконалість модулятора, внаслідок чого в процесі модуляції з'являються: неоднорідність і нестабільність у часі фази модуляції по перетину зондуючого променя, відхилення від гармонійного закону обвідної модуляції променя і ряд інших побічних явищ. Різноманіття і взаємопов'язаність ряду факторів, що знижують точність реальних фазових далекомірів, вимагають розробки великого числа нових способів реалізації цього методу.

    Методи прецизійного вимірювання великих довжин

    основу всіх лазерних далекомір-них методів покладено визначення часу, протягом якого інформаційний сигнал пройде подвійну відстань від далекоміра до відбивача в кінцевій точці вимірюваної довжини. При цьому використовуються факт сталості швидкості поширення світлових хвиль в вакуумі і можливість обліку зміни цієї швидкості в залежності від реальних атмосферних умов шляхом визначення середнього інтегрального значення групового показника заломлення повітря в момент вимірювань. Методи визначення часу поширення інформаційного сигналу розрізняються по тому параметру електромагнітної хвилі, який покладено в основу виміру: фазі, частоті, амплітуді, часу затримки імпульсу і їх комбінацій.

    Мінімальна похибка в 90-х роках минулого століття забезпечувалася лазерними далекомірами, що реалізують фазовий метод визначення

    Компетентність / Сотрв1впсу (Russia) 2/2020 DOl: 10.24411 / 1993-8780-2020-1-0209

    довідка

    Ірье Вяйсяля - фінський астроном, оптик і геодезист, професор, академік, народився 6 вересня 1891 Ранку, Контіолахті в Російській імперії. Талановитий популяризатор астрономії, організував аматорські астрономічні суспільства в Гельсінкі і Турку. Розробив кілька методів контролю якості оптичних елементів, а також їх виробництва. Був одним з піонерів створення рідких дзеркал з ртуті. У 1920-30 роках Вяйсяля для створення сильно віддалених триангуляційних вершин запропонував використовувати проблискові вогні на повітряних кулях або великих піротехнічних ракетах. Експерименти з використання цієї «зоряної» тріангуляції були успішно проведені в 1959 році. Перевага методу полягала в можливості (при досить великій висоті джерела світла) зв'язати в одну систему пункти, що знаходяться на дуже великих відстанях один від одного

    інтервалу часу поширення модулируемого по інтенсивності лазерного випромінювання [1]. Кращі зразки таких пристроїв забезпечують вимір великих довжин з похибкою порядку 1х10-7 [2].

    Іншим дуже точним методом вимірювання великих довжин в метрології і геодезії є інтерференційний метод оптичного множення (метод Вяйсяля [3]), що дозволяє реалізувати рівень похибки вимірювання великих довжин до 1 км величиною (1-3) х10-7.

    Додатково зазначимо импуль-сно-фазовий метод вимірювання, який поєднує в собі переваги фазових методів щодо точності вимірювань і імпульсних систем щодо дальності вимірювань. Як зондуючого сигналу використовується послідовність імпульсів, а час їх проходження подвоєної відстані до об'єкта вимірюється фазовим методом. Точнісні характеристики кращих таких пристроїв на рівні похибки у вигляді (1 + 1x10 L) мм.

    Всі розглянуті пристрої технічно складні і вимагають великих фінансових і інтелектуальних витрат для досягнення метрологічних характеристик, відповідних установок вищої точності (УВТ).

    Складові похибок вимірювань

    Останнім часом у зв'язку з революційним проривом в області формування імпульсів світла надкоротких тривалості з'явилася реальна можливість знизити похибку вимірювань великих довжин на кілька порядків інтерфероме-тричних методом, використовуючи унікальні характеристики випромінювання лазерних пристроїв нового покоління [4-6].

    Лазерні далекоміри і інтерферометри за принципом своєї дії реагують безпосередньо на оптичну довжину шляху, який проходить лазерний промінь в атмосфері між точками, що обмежують вимірювану довжину, а не на геометричне відстань між цими точками.

    Середнє інтегральне значення показника заломлення повітря шару атмосфери на траєкторії променя неможливо визначити безпосередньо. Воно визначається або за допомогою лазерних вимірювань дисперсійним методом, або вимірюванням в деяких точках траєкторії метеорологічних характеристик: температури, тиску, вологості, пов'язаних з показником заломлення відомими співвідношеннями.

    Таким чином, кошти вимірів в довгобазова интерферометрии реагують не на саму вимірювану довжину, а на ряд вторинних величин, функціонально з нею пов'язаних. Використання наближених значень емпіричних виразів функціональної залежності і наближених значень що входять в неї параметрів, що змінюються в процесі вимірювань за рахунок турбулентності атмосфери, обумовлює похибку непрямого методу вимірювань [7].

    При взаємодії вимірювача з об'єктом вимірювань значення виміряної величини відрізняється від значення, прийнятого в якості вимірюваної на величину довжини шляху променя лазера в самій оптичній системі вимірювача. Крім того, на результат вимірювання впливає розбіжність оптичної осі лазера і оптичної осі об'єктива вихідного коліматора, оптичної осі лазера і осі вимірюваного базису (неточна юстирування, рефракція в атмосфері і ін.), Неточність установки відбивача по куту місця і азимуту. При зміні температури повітря змінюються характеристики термопреобразователя, кріплення, підвідних кабелів і т.д. В результаті виникає похибка передачі розміру вимірюваної величини від об'єкта засобу вимірювань - від відтворюється довжини до зразкового далекоміру і похибка від впливу далекоміра на базис.

    Далекомірні кошти вимірів завжди мають власну інструментальну похибку, яка обумовлена ​​їх конструктивними особливостями, а також метеорологічним станом зовнішніх умов: рівнем фонової

    Компетентність / Competency (Russia) 2/2020 DOI: 10.24411 / 1993-8780-2020-1-0209

    засвічення, турбулентністю, частотним спектром флуктуацій показника заломлення повітря, швидкістю і напрямом вітру, зміною температури, тиску і вологості повітря і ін.

    При непрямих вимірах довжини в результаті подальшої математичної обробки даних часто по наближеним співвідношенням виникає похибка обчислень.

    Перераховані фактори обмежують фізично досяжну точність вимірювання великих довжин, різноманіття яких визначається специфікою даних вимірювань. Щоб піти від цього непоборного бар'єру рівня точності, необхідно використовувати переваги нових революційних технологій, заснованих на інших принципах вимірювального процесу.

    концепція вимірювань

    В основу концепції вимірювань покладено принцип точного вимірювання довжин інтерференційним методом, основна ідея якого викладена в [4], а технічна реалізація представлена ​​в [5]. Такий підхід дозволить уникнути багатьох технічних проблем, зменшити фінансові витрати, спростити процес вимірювань, істотно (на порядки) знизити похибка і на практиці реалізувати нову технологію вимірювального процесу.

    Основна ідея - створення зручної міри довжини на основі інтерферометра Фабрі - Перо (ІФП) з базою 1 м, яка має стабільністю довжини на рівні еталону довжини (еталонний варіант) або на рівні стабільності пасивного ізольованого ІФП (робочий варіант). Процес вимірювань включає процедури максимально точних вимірювань частот і довжин хвиль лазерного джерела [5]. Для вимірювання великих довжин використовується метод Вяйсяля [3].

    Робочий варіант

    Установка складається з пасивно стабілізованого інтерферометра Фабрі - Перо базою

    1 м, одночастотне перебудовується за частотою діодного лазера (ДЛ), частота якого стабілізується автопідстроюванням частоти по максимуму пропускання його випромінювання через ІФП, і вимірювача довжин хвиль (ПДГ) з відносною похибкою вимірювання dl ~ 10-6.

    Спочатку частота ДЛ налаштовується на одну з поздовжніх мод (максимум пропускання) ІФП і стабілізується системою автопідстроювання. Довжина хвилі пройшов через ІФП випромінювання цього ДЛ реєструється ПДГ. Потім частота ДЛ налаштовується на наступний максимум пропускання ІФП (Dn = Dix (с / l2) = ^ 2L = 150 МГц - частотний межмодовой масштаб інтерферометра - спектральна область чутливості Ф-П) і стабілізується. Знову вимірюється довжина хвилі випромінювання ДЛ за допомогою ПДГ. За виміряним довжинах хвиль випромінювання, що пройшов через сусідні максимуми пропускання ІФП, а також за відомим числу порядків інтерференції між цими модами однозначно визначається довжина бази зразкового ІФП з відносною похибкою dl = 5x10-8. Маючи зразкову міру довжини в 1 м і застосовуючи метод Вяйсяля, ми можемо впевнено і легко визначити необхідну довжину заданого базису з вказаною похибкою. Крім того, цей метод, з одного боку, дозволяє вимірювати будь-яку довжину базису з високою точністю, з іншого - значно спрощує сам процес вимірювань, позбавляючи нас від нашарування похибок, що неминуче виникають в фазових методах вимірювання великих довжин.

    Розглянемо другий варіант. В цьому випадку база ІФП є, наприклад, довжину, визначену в 10 м. Процедура вимірювань аналогічна викладеної в першому варіанті. Виключається метод Вяйсяля. Істотно підвищуються вимоги до заходів пасивної стабільності ІФП: фундаментальне підставу установки, максимально можлива ізоляція від звукових і теплових збурень і т.д. Відзначимо, що довжина в 10 м

    ЕЛ | - | |- Г "| Г") л | _II ^ Q Компетентність / Competency (Russia) 2/2020

    52 ІССЛЕДіСпПІл doi: 10.24411 / 1993-8780-2020-1-0209

    Спектр мод резонатора фотоприймача [Spectrum of photodetector resonator modes]

    ПДГ

    для бази ІФП, по суті, є граничною через складність юстування при використанні зазначеного методу. Таким чином, цей варіант звужує можливості интерференционного методу вимірювань великих довжин і може бути застосовний для окремого випадку створення УВТ-10 м (установки вищої точності).

    опис вимірювання

    ФП висвітлюється перебудовуваним по частоті випромінювання ДЛ, довжина хвилі випромінювання якого вимірюється вимірником довжин хвиль ПДГ. База інтерферометра стабілізується системою автопідстроювання за допомогою зворотного зв'язку, що використовує керуючий сигнал з фотоприймача. Число максимумів інтерференції пройшов через ІФП світла під-зчитується лічильником. На малюнку представлений спектр мод резонатора фотоприймача.

    Довжина вимірюваного базису в загальному випадку визначається як L = Гах (11/2) = = (п + ^ х (12/2). Довільна п-я поздовжня мода ІФП - як п = ^ {(УД ^ - 12)}. тепер довжина базису визначається через число порядків інтерференції N і виміряні довжини хвиль як Ь = N х {[(12) / (11 - 12)] х (11/2)}.

    Це проста і витончена процедура визначення довжини заданого базису за другим варіантом. Порядок інтерференції можна оцінити з відношення подвійної довжини ІФП (2Ь = 20м) до довжини хвилі генерації ДЛ (1 = 1 мкм) як N = 2Ь / 1 = 2х10'мкм / 1 мкм = 2х 107.

    АПЧ

    г

    ДЛ ІФП ФП

    Лічильник

    моди інтерферометра

    N + n

    C / 2L

    N + 1

    Еталонний варіант вимірювань

    Основна ідея викладена в роботах [4, 8]. В цьому випадку база ІФП (1м) піддається активній стабілізації за допомогою радіочастотного стандарту і похибка її довжини можливо знизити до рівня 10-10, що на 2-3 порядки покращує параметри пасивно стабілізованого ІФП. Процес вимірювань може бути реалізований двома варіантами.

    1. За допомогою перебудовуються діодних лазерів і сучасного вимірювача довжин хвиль ПДГ (похибка dl ~ 10-8).

    2. За допомогою сучасних технологій, використовуючи унікальні можливості імпульсного випромінювання лазерів пико- і фемтосекундного діапазону [4]. В цьому випадку точність вимірювань заданої довжини зростає на порядки і відповідає сучасним еталонним вимогам (похибка dl ~ 10-10).

    Пропонований метод вимірювань справедливий в ідеальних умовах - при відсутності атмосфери. У реальних атмосферних умовах неминуче виникнуть систематичні похибки, які істотно обмежують заявлену точність. Систематична похибка виникає через нехтування явищем викривлення траєкторії світлового променя в неоднорідній атмосфері. Ефект рефракції (викривлення траєкторії світлового променя) відноситься до класичних джерел систематичних похибок при вимірюванні великих довжин. У дальнометріі ефект рефракції полягає в тому, що вимірювана довжина відповідає викривленою довжині в неоднорідній атмосфері траєкторії променя, а не вимірюється довжині відрізка між кінцевими точками базису. Ця різниця є систематичним і не може бути усунуто шляхом багаторазових вимірювань. Якщо різниця між цими довжинами виявляється порівнянної з необхідною точністю або більше неї, в результати вимірювань необхідно вводити поправки.

    Відзначимо, що в даний час в нашій країні функціонує Державний первинний еталон дли-

    l

    l

    2

    n

    l

    Компетентність / Competency (Russia) 2/2020 МРГ ^ ПСГЮОА! _На Про СО

    DOI: 10.2441 1 / 1993-8780-2020-1-0209 ДОСЛІДЖЕННЯ 53

    ни - метра МЕТ 2-2010 з сумарної стандартної невизначеністю вимірювань метра 5,8х10-12 і спеціальний первинний еталон довжини МЕТ 199-2018 з сумарної стандартної невизначеністю 2,23 мкм на довжині 60 м, що відповідає відносної похибки 3,7х10-8 [ 9]. Результати проведених досліджень показали, що значення точності вимірювань довжин, представлені в даній роботі, можна порівняти зі значеннями точності еталонних вимірювань, отриманих в спеціальних умовах за допомогою унікальних спеціальних пристроїв. |

    Стаття надійшла до редакції 03.122019

    Список літератури

    1. Лазерна дальнометрія / під ред. Васильєва В.П., Хінрікус Х.В. - М .: Радио и связь, 1995.

    2. Андрусенко А.М., Данильченко В.П., Прокоф'єв А.В. Методи і засоби лазерної прецизійної дальнометріі. - М .: Изд-во стандартов, 1987.

    3. Kukkamaki T. I. Vaisala interference comparator. - Suomen geod. Laitok. tied. - 1980. - № 1.

    4. Могильницький Б.С., Толстіков А.С., Черепанов В.Я. Прецизійні вимірювання довжин на основі імпульсного лазера // Вимірювальна техніка. - 2004. - № 8.

    5. Бикмухаметов К.А., Дмитрієв А.К. Прецизійні вимірювання оптичних частот і довжин за допомогою фемтосекундного лазера / Матеріали VII міжнародної конференції «Актуальні проблеми електронного приладобудування», АПЕП-2004. - Т. 3.

    6. Бакланов Є.В., Дмитрієв А.К. Абсолютні вимірювання довжини за допомогою фемтосекундного лазера // Квантова електроніка. - 2002. - Т. 32. - № 10.

    7. Кондрашков А.В. Інтерференція світла і її застосування в геодезії. - M .: Геоіздат, 1956.

    8. Могильницький Б.С. Сучасні лазерні технології підвищення точності вимірювання довжин // Світ вимірювань. - 2017. - № 3.

    9. Милованова Е.А., Маліков К.І. та ін. Спільні дослідження метрологічних характеристик комплексу державних первинних еталонів одиниці довжини // Вимірювальна техніка. - 2018. - № 9.

    Kompetentnost / Competency (Russia) 2/2020

    ISSN 1993-8780. DOI: 10.2441 1 / 1993-8780-2020-1-0209

    RESEARCH 53

    Laser Technology for Precision Measurements оf Long Lengths

    B.S. Mogil'nitskiy1, FSAEI FVT ASMS, Novosibirsk Branch, Assoc. Prof. Dr., Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    1 Head of Department, Novosibirsk, Russia

    Citation: Mogil'nitskiy B.S. Laser Technology for Precision Measurements of Long Lengths, Kompetentnost / Competency (Russia), 2020 року, no. 2, pp. 49-53. DOI: 10.24411 / 1993-8780-2020-1-0209

    key words

    precision length measurement, laser technology, measurement accuracy

    References

    I'm presented the methods for precision measurements of long lengths. The use of the proposed modern laser technologies can significantly improve the accuracy of measurements of large lengths by at least two orders of magnitude. As you know, the State primary standard of length (meters) - GET 2-2010 with a total standard measurement uncertainty of 5.8x10-12 meters, and a special primary standard of length GET 199-2018 with a total standard uncertainty of 2.23 microns at a length of 60 m, which corresponds to a relative error of 3,7'10-8. In conclusion, the accuracy values ​​of length measurements presented in this paper are comparable to the accuracy values ​​of reference measurements obtained under special conditions using unique devices.

    1. Laser ranging. Ed. V.P. Vasil'ev, Kh.V. Khinrikus, Moscow, Radio and communication, 1995.

    2. Andrusenko A.M., Danil'chenko V.P., Prokof'ev A.V. Methods and means of precision laser ranging, Moscow, Standards publishing house, 1987.

    3. Kukkamaki T. I. Vaisala interference comparator, Suomen geod. Laitok. tied, 1980, no. 1, 24 P.

    4. Mogil'nitskiy B.S., Tolstikov A.S., Cherepanov V.Ya. Precision measurements of lengths based on pulsed laser, Measurement technology, 2004, no. 8, 9 P.

    5. Bikmukhametov K.A., Dmitriev A.K. Precision measurements of optical frequencies and lengths using a femtosecond laser, Actual problems of electronic instrumentation, VII int. conf. proc., APEP-2004, v. 3, p. 240.

    6. Baklanov E.V., Dmitriev A.K. Absolute length measurements using a femtosecond laser, Quantum electronics, 2002 v. 32, no. 10, 690 P.

    7. Kondrashkov A.V. Interference of light and its application in geodesy, Gosizdat, 1956.

    8. Mogil'nitskiy B.S. Modern laser technology to improve the accuracy of length measurement, Measurements world 2017, no. 3, pp. 30-37.

    9. Milovanova E.A., Malikov K.I., etc. Joint research of metrological characteristics of the complex of state primary standards of unit length, Measurement technology, 2018, no. 9, pp. 8-11.


    Ключові слова: Прецизійного вимірювання ДОВЖИНИ / ЛАЗЕРНІ ТЕХНОЛОГІЇ / ТОЧНІСТЬ ВИМІРЮВАНЬ / PRECISION LENGTH MEASUREMENT / LASER TECHNOLOGY / MEASUREMENT ACCURACY

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити