Представлен обзор принципов построения автодинных интерферометров и возможностей их применения в системах и устройствах оптического приборостроения. При этом проанализировано современное состояние теории автодинных интерферометров, приведены основные уравнения, описывающие формирование сигналов, и рассмотрены особенности автодинных характеристик при различных уровнях отраженного излучения, характеризуемого параметром обратной связи. Представлены примеры реализации автодинных интерферометров и результаты их использования в метрологии. Отмечены перспективы применения автодинных интерферометров в системах и устройствах оптического приборостроения.
Идентификаторы и классификаторы
Лазерные интерферометры Майкельсона (рис. 1а) заняли прочные позиции в научных экспериментах и промышленности в качестве измерителей перемещений, скорости, вибраций и других параметров движения различных объектов контроля [1–3]. Их высокая точность, отсутствие возмущений исследуемых процессов, быстродействие и другие преимущества позволяют получить новые научные результаты и обеспечить производственные технологии уникальными средствами измерения скорости и длины таких «неудобных» объектов, как пышущие жаром трубы или раскаленные листы металла на выходе прокатного стана и многого другого. Вместе с тем сложность этих систем и громоздкость, недостаточная надежность и высокая стоимость резко ограничивают их распространение, особенно в случаях ограниченной доступности к объектам контроля.
Список литературы
1. Василенко Ю. Г., Дубнищев Ю. Н., Коронкевич В. П., Соболев В. С., Столповский А. А., Уткин Е. Н. Лазерные доплеровские измерители скорости. Новосибирск: Наука; 1975. 164 c.
2. Коронкевич В. П., Соболев В. С., Дубнищев Ю. Н. Лазерная интерферометрия. Новосибирск: Наука; 1983. 212 c.
3. Коронкевич В. П., Ханов В. А. Лазерные интерферометры и их применение. Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР; 1984. 102 c.
4. Ashby D. E., Jephcott D. F. Measurement of plasma density using a gas laser in infrared interferometer. Journal of Applied Physics. 1963;3(7):13-15. DOI: 10.1063/1.1723556
5. Белоусова И. М., Данилов О. Б., Запрягаев А. Ф. Исследование спектра излучения He-Ne ОКГ при амплитудной модуляции обратным сигналом с доплеровским сдвигом частоты. Журнал технической физики. 1971;41(5):1028-1033.
6. Берштейн И. Л. Воздействие отраженного сигнала на работу лазера. Известия вузов. Радиофизика. 1973;16(4):526-530.
7. Берштейн И. Л., Степанов Д. П. Обнаружение и измерение малых обратных отражений лазерного излучения. Известия вузов. Радиофизика. 1973;16(4):532-535.
8. Казаринов Р. Ф., Сурис Р. А. Гетеродинный прием света инжекционным лазером. Журнал технической физики. 1974;66(3):1067-1078.
9. Morikawa T., Mitsuhashi Y. Return-beam-induced oscillations in self-coupled semiconductor lasers. Electronics Letters. 1976;12(17):435-436. DOI: 10.1587/transele.E95.C.1444
10. Туманов Б. Н., Левит Б. И., Бабич А. С. Автодинный эффект в газовых лазерах // Известия вузов. Радиофизика. 1978;21(9):1260-1267.
11. Burke W. J., Ettenberg M., Kressel H. Optical feed-back effects in CW injection lasers. Applied Optics. 1978;17(14):2233-2238. DOI: 10.1364/AO.17.002233
12. Левит Б. И. Исследование автодинного эффекта в квантовых генераторах: дис. … канд. физ.-мат. наук: 01.04.03. Н. Тагил; 1981. 193 с.
13. Гершензон Е. М., Калыгина В. М., Левит Б. И., Туманов Б. Н. Резонанс релаксационных колебаний в автодинных генераторах. Известия вузов. Радиофизика. 1981;24(8):1028-1034.
14. Гершензон Е. М., Туманов Б. Н., Бузыкин В. Т., Калыгина В. М., Левит Б. И. Общие характеристики и особенности автодинного эффекта в автогенераторах. Радиотехника и электроника. 1982;27(1):104-112.
15. Plantier G., Bes C., Bosch T. Behavioral Model of a Self-Mixing Laser Diode Sensor. IEEE Journal of Quantum Electronics. 2005;41(9):1157-1167. DOI: 10.1109/JQE.2005.853364
16. Giuliani G., Norgia M., Donati S., Bosch T. Laser diode self-mixing technique for sensing applications (Review article). Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2002;4(6):283-294. DOI: 10.1088/1464-4258/4/6/371 EDN: BFJOEB
17. Donati S., Norgia M. Overview of self-mixing interferometer applications to mechanical engineering. Optical Engineering. 2018;57(5):051506. DOI: 10.1117/1.OE.57.5.051506
18. Bosch T., Servagent N., Donati S. Optical feedback interferometry for sensing application. Optical Engineering. 2001;40(1):20-27. DOI: 10.1117/1.1330701
19. Plantier G., Servagent N., Sourice А., Bosch T. Real-time parametric estimation of velocity using optical feedback interferometry. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2001;50(4):915-919. DOI: 10.1109/19.948299
20. Plantier G., Servagent N., Bosch Th., Sourice А. Real-time tracking of time varying velocity using а self-mixing laser diode. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2004;53(1):109-115. DOI: 10.1109/TIM.2003.821488
21. Bes С., Plantier G., Bosch T. Displacement measurements using а self-mixing laser diode under moderate feedback. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2006;55(4):1101-1105. DOI: 10.1109/TIM.2006.876544
22. Усанов Д. А., Скрипаль Ал. В., Скрипаль Ан. В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Издательство Саратовского университета; 2003. 312 с. EDN: QMMZEZ
23. Усанов Д. А., Скрипаль А. В. Полупроводниковые лазерные автодины для измерения параметров движения при микро- и наносмещениях. Саратов: Издательство Саратовского университета; 2014. 136 с.
24. Соболев В. С., Кащеева Г. А. Активная лазерная интерферометрия с частотной модуляцией. Автометрия. 2008;44(6):49-65. EDN: JWUPET
Sobolev V. S., Kashcheeva G. A. Self-mixing frequency-modulated laser interferometry. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2008;44(6):519-529. EDN: TABXAQ
25. Соболев В. С., Уткин Е. Н., Щербаченко А. М., Столповский А. А., Кащеева Г. А. Активная лазерная интерферометрия: состояние и перспективы. Автометрия. 2004;40(6):4-18. EDN: OWRNSZ
26. Lang R., Kobayashi S. External optical feedback effects on semiconductor injection laser properties. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1980;16(3):347-355. DOI: 10.1109/JQE.1980.1070479 EDN: XWDWML
27. Kobayashi S., Yamamoto Yо., Ito М., Kimura Т. Direct frequency modulation in AIGaAs semiconductor lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982;18(4):582-595. DOI: 10.1109/JQE.1982.1071603
28. Kane D. M., Shore K. A. (ed.) Unlocking Dynamical Diversity. Optical Feedback Effects on Semiconductor Lasers. London: John Wiley & Sons Ltd; 2005. 375 p.
29. Wei Lu. Improving the performance of optical feedback self-mixing interferometry sensing. Doctor of Philosophy thesis, School of Electrical, Computer and Telecommunications Engineering, University of Wollongong. 2011. URL: https://ro.uow.edu.au/theses/3256 (accessed: 03.10.2024).
30. Donati S., Giuliani G., Merlo S. Laser diode feedback interferometer for measurement of displacements without ambiguity. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1995;31(1):113-119. DOI: 10.1109/3.341714
31. Носков В. Я. Анализ влияния шумов на характеристики автодинных измерителей вибраций и малых перемещений. Измерительная техника. 2014; (9):49-53. EDN: TEJZKH
Noskov V. Ya. Analysis of the Impact of Noise on the Characteristics of Autodyne Sensors of Vibrations and Small Displacements. Measurement Techniques. 2014;57(9):1065-1072. DOI: 10.1007/s11018-014-0581-2 EDN: UGENQF
32. Scalise L., Yanguang Yu, Giuliani G., Plantier G., Bosch T. Self-mixing laser diode velocimetry: application to vibration and velocity measurement. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2004;53(1):223-232. DOI: 10.1109/TIM.2003.822194
33. Plantier G., Servagent N., Bosch Т., Sourice А. Real-time tracking of time-varying velocity а self-mixing laser diode. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2004;53(1):109-115. DOI: 10.1109/TIM.2003.821488
34. Raoul Х., Bosch Т., Plantier G., Servagent N. А double laser diode on board sensor for velocity measurements. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2004;53(1):95-101. DOI: 10.1109/TIM.2003.821483
35. Gouaux F., Servagent N., Bosch Т. Absolute distance measurement with an optical feedback interferometer. Applied Optics. 1998;37(28):6684-6689. DOI: 10.1364/AO.37.006684
36. De Groot Р. J., Galatin G. М., Macomber S. В. Ranging and velocimetry signal generation in а backscatter-modulated laser diode. Applied Optics. 1988;27(21):4475-4480. DOI: 10.1364/AO.27.004475
37. Beheim G., Fritsch К. Range finding using frequency-modulated laser diode. Applied Optics. 1986;25(9):1439-1442. DOI: 10.1364/AO.25.001439
38. Giuliani G., Donati S., Passerini М., Bosch Т. Angle measurement bу injection detection in laser diode. Optical Engineering. 2001;40(1):95-99. DOI: 10.1117/1.1332276
39. Economou G., Youngquist R. G., Davies D. E. N. Limitations and noise in interferometric systems using frequency ramped single-mode diode lasers. Journal of Lightwave Technology. 1986;4(11):1601-1608. DOI: 10.1109/JLT.1986.1074672
40. Chebbour A., Gorecki C., Tribillon G. Range finding and velocimetry with directional discrimination using a modulated laser diode Michelson interferometer. Optics Communications. 1994;111(1-2):1-2. DOI: 10.1364/AO.25.001439
41. Amman M.-Ch., Bosch T., Lescure M., Myllylä R., Rioux M. Laser ranging: a critical review of usual techniques for distance measurement. Optical Engineering. 2001;40(1):10-19. DOI: 10.1117/1.1330700
42. Schneider R., Thurmel P., Stockmann M. Distance measurement of moving objects by frequency modulated laser radar. Optical Engineering. 2001;40(1):33-37. DOI: 10.1117/1.1332772
43. Gouaux F., Servagent N., Bosch T. Absolute distance measurement with an optical feedback interferometer. Applied Optics. 1998;37(28):6684-6689. DOI: 10.1364/AO.37.006684
44. Osterwalder J. M., Rickett B. J. Frequency modulation in GaAlAs injection lasers at microwave frequency rates. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1980;16(3):250-252. DOI: 10.1109/JQE.1980.1070461
45. Norgia M., Giuliani G., Donati S. Absolute distance measurement with improved accuracy using laser diode self-mixing interferometry in a closed loop. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2007;56(5):1894-1900. DOI: 10.1109/TIM.2007.904551
46. Beheim G., Fritsch K. Range finding using frequency-modulated laser diode. Applied Optics. 1986;25(9):1439-1442. DOI: 10.1364/AO.25.001439
47. Shinohara Sh., Yoshida H., Ikeda H. Nishide K., Sumi M. Compact and high-precision angle finder with wide dynamic range and its application. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1992;41(1):40-44. DOI: 10.1109/19.126628
48. Taimre T., Nikolic M., Bertling K., Lim Y. L., Rakic A. D., Bosch T. Laser feedback interferometry: a tutorial on the self-mixing effect for coherent sensing. Advances in Optics and Photonics. 2015;7(3):570-631. DOI: 10.1364/AOP.7.000570 EDN: WSEYFL
49. Randone E. M., Donati S. Self-mixing interferometer: analysis of the output signals. Optics Express. 2006;14(20):9188-9196. DOI: 10.1364/OE.14.009788
50. Lim Y. L., Bertling K., Dean P., Valavanis A., Alhathlool R., Khanna S. P., et al. Self-mixing signals in terahertz lasers. In: Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials Devices (COMMAD). 12-14 December 2012. Melbourne, VIC, Australia. IEEE; 2012. P. 105-106.
51. Valavanis A., Dean P., Lim Y. L., Alhathlool R., Nikolic M., Kliese R., et al. Self-mixing interferometry with terahertz quantum cascade lasers. IEEE Sensors Journal. 2013;13(1):37-43. DOI: 10.1109/JSEN.2012.2218594
52. Perchoux J., Campagnolo L., Lim Y. L., Rakic A. D. “Lens-free” self-mixing sensor for velocity and vibrations measurements. In: Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (COMMAD). 12-15 December 2010. Canberra, ACT, Australia. IEEE; 2010. P. 65-67. EDN: OCUJMH
53. Norgia M., Pesatori A., Donati S. A lensless self-mixing blood-flow sensor. In: 2nd International Conference on Biophotonics. IEEE; 2011. P. 65-67.
54. Servagent N., Bosch T., Lescure M. A. Laser displacement sensor using the self-mixing effect for modal analysis and defect detection. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1997;46(4):847-850. DOI: 10.1109/19.650786
55. Wang M., Lai G. Self-mixing microscope interferometer for the measurement of microprofile. Optics Communications. 2004;238(4):237-244. DOI: 10.1016/j.optcom.2004.04.052 EDN: KGOMRZ
56. Ocana R., Molina T. Mapping a vibrating surface by using laser self-mixing interferometry. In: Gorecki Ch., Asundi A. K., Osten W. (eds.) Proceedings of SPIE 9132. Optical Micro- and Nanometrology V. 15-17 April 2014. Brussels, Belgium. SPIE; 2014. P. 1-10. DOI: 10.1117/12.2052172
57. Giuliani G., Bozzi-Pietra S., Donati S. Self-mixing laser diode vibrometer. Measurement Science and Technology. 2003;14(1):24-32. DOI: 10.1088/0957-0233/14/1/304 EDN: BFJTZF
58. Rui-hua Hong, Donati S., inventor. Optical measuring device and optical measuring method. Taiwan patent TW201534861A. G01B11/24 (2006.01). 2015 Sept 16.
59. Donati S., Giuliani G., Merlo S. Laser Diode Feedback Interferometer for the Measurements of Displacements without Ambiguity. IEEE Journal of Quantum Electronics. 1995;31(1):113-119. DOI: 10.1109/3.341714
60. Arasanz A., Azcona F. J., Royo S., Jha A., Pladellorens J. A new method for the acquisition of arterial pulse wave using self-mixing interferometry. Optics and Laser Technology. 2014;63:98-104. DOI: 10.1016/j.optlastec.2014.04.004
61. Atashkhooei R., Urresty J.-C., Royo S., Riba J.-R., Romeral L. Runout tracking in electric motors using self-mixing interferometry. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2014;19(1):184-190. DOI: 10.1109/TMECH.2012.2226739
62. Gagnon E., Rivest J.-F. Laser range imaging using the self-mixing effect in a laser diode. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1999;48(3):693-699. DOI: 10.1109/19.772198
63. Kliese R., Taimre T., Bakar A. A. A., Lim Y. L., Bertling K., Nikolic M., et al. Solving self-mixing equations for arbitrary feedback levels: a concise algorithm. Applied Optics. 2014. Vol. 53. No. 17. P. 3723-3736. DOI: 10.1364/AO.53.003723
Выпуск
Другие статьи выпуска
В работе проводится обзор текущего состояния области разработки широкополосных рупорных антенн. Основными конструктивными особенностями большинства антенн такого типа является наличие двух согласующих ребер, встроенных в апертуру после некоторого прямого участка. Во многих работах преобладают различные формы рупоров, стандартными для самого популярного диапазона рабочих частот 1-18 ГГц являются пирамидальный и рупор с периодичными боковыми стенками. Коаксиально-волноводный переход (КВП) имеет множество конструкций и является очень важным элементов всех конструкций антенн. Стандартная конструкция КВП и резонансной камеры - это прямоугольная полость, внутрь которой вставляются два согласующих ребра, образуя Н-образный волновод, данная конструкция не является популярной, так как не обладает широкой полосой рабочих частот, а также отрицательно влияет на вид диаграммы направленности. Внутри рупора, часто в промежутке между согласующими ребрами, на их концах, можно увидеть разнообразные линзы, которые улучшают вид диаграмм направленности в высокочастотном диапазоне. Выявлена зависимость, связанная с тем, что нестандартные структуры (со встроенными внутрь согласующими элементами) резонансной камеры обычно имеют более широкую полосу рабочих частот, при этом, как было выяснено, также на нее сильно влияет, но в меньшей степени, конструкция согласующих ребер и конструкция самого рупора.
В настоящее время технические объекты различной степени подвижности могут применяться в широком спектре задач, имея как гражданское, так и военное назначение. Эксплуатация таких объектов невозможна без использования надежных каналов передачи видеоинформации и управления. Однако требования к таким каналам связи существенно усугубляются различием условий эксплуатации данных систем. Имеющиеся на данный момент решения, позволяющие передавать видеопоток с камеры беспилотных летательный аппаратов (БпЛА), как правило, не могут обеспечить такое же качество связи для управления наземными технические объекты малой степени подвижности различного назначения. Целью данного исследования является анализ технологий передачи видеоинформации и оценка эффективности их применения в каналах связи с техническими объектами различной степени подвижности. В рамках данной статьи была разработана имитационная модель приемника и передатчика, осуществляющих обработку сигнала в основной полосе частот, исследовано влияние параметров кодеков с малой плотностью проверок на четность (LDPС) и Боуза - Чоудхури - Хоквингема (БЧХ) на качество приема видеоинформации. Проведенное исследование позволило определить параметры кодеков, обеспечивающих наилучшее качество приема сигнала видеоинформации при разных отношениях сигнал/шум. Автором выполнена оценка влияния многолучевого распространения радиоволн, что позволило предложить модель приемника, обеспечивающего передачу видеоинформации для наземных технических объектов с малой степенью подвижности.
В статье показано, как выбор типа аппроксимации фильтра влияет на частотные характеристики направленного ответвителя, в который они установлены вместо четвертьволновых отрезков для его миниатюризации. В работе представлены результаты моделирования Т-образных и П-образных фильтров нижних частот (ФНЧ) с помощью пакета «QucsStudio». Были исследованы различные характеристики мостов, включая коэффициенты отражения и передачи, а также разность фаз между сигналами. Авторы приходят к выводу, что при разработке компактных направленных ответвителей следует использовать П-образные схемы для уменьшения размеров устройства и более высокий порядок фильтра для обеспечения более широкой полосы рабочих частот. Оптимальным вариантом является Т-образный ФНЧ 5-го порядка Чебышева с коэффициентом отражения |S11| = 5 %.
Целью работы являются анализ и выбор способов преобразования симметричного фильтра нижних частот (ФНЧ) в несимметричный при различии сопротивлений источника и нагрузки. Например, для преобразования в половине симметричного ФНЧ, синтезированного для равных нагрузок, умножаем все сопротивления на коэффициент преобразования r и соединяем преобразованные части фильтра. Рассмотрены трехэлементные П и Т-образные ФНЧ с чебышевской аппроксимацией квадратов модулей функций передачи |S21(Ω)|2 и коэффициентов отражения |S11(Ω)|2. Выполнено сравнение ФНЧ преобразованных различными методами. Составлены таблицы нормированных значений элементов ФНЧ для различных отношений сопротивлений источника сигнала и нагрузки. Показано, что использование оптимальных ФНЧ позволяет учесть в их составе большее значение реактивности источника сигнала (активного прибора) либо расширить полосу частот.
В статье рассматриваются вопросы определения местоположения базовых станций (БС) сетей подвижной радиосвязи и зон их покрытия. Применение в методике статистических методов анализа позволяет определить реальную зону покрытия операторов связи. Рассматриваемая методика включает получение статистических данных по качеству подвижной радиотелефонной связи; построение на основе открытых источников зон покрытия БС в локальном районе; моделирование плотности покрытия БС сетей подвижной радиосвязи в конкретном субъекте России. Приведен пример инструментальной оценки качества покрытия сети одного из операторов в районе Уральского федерального университета имени Б. Н. Ельцина, графически определена зона покрытия его БС и границы их «секторов».
Издательство
- Издательство
- УрФУ
- Регион
- Россия, Екатеринбург
- Почтовый адрес
- 620002, Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19
- Юр. адрес
- 620002, Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Мира, д. 19
- ФИО
- Кокшаров Виктор Анатольевич (Ректор)
- E-mail адрес
- rector@urfu.ru
- Контактный телефон
- +7 (343) 3754507
- Сайт
- https://urfu.ru/ru