Способ измерения скорости

 

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ, заключающийся в формировании оптическим излучением в исследуемой среде интерференционного поля с известной пространственно-частотной структурой, формировании пространственного Фурьеспектра этого поля в свете, рассеянном движущимися частицами, фильтрации Фурье-спектра.пространственно-частотным периодическим фильтром, согласованным со средним расстоянием между частицами, преобразовании селектированного оптического сигнала вэлектрический и измерении частоты электрического сигнала, по которому судят о скорости, отличающийся тем, что, с целью повьпиения точности измерений путем увеличения, соотношения сигнал - шум, формируют оптическим излучением, отличным от первого спектральным составом, второе интерференционное поле с пространственночастотной структурой, противофазной структуре первого поля, селектирутот i оптический сигнал от первого интерференционного поля через четные полу (П периоды пространственно-частотного фильтра, а от второго интерференционного поля - через нечетные полупериоды пространственно-Частотного фильтра .I

,.SU„„1093974

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

NUHIWI

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фаа1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3574552/ 18-10 (22) 07.04.83 (46) 23.05.84. Бюл. ¹ 19 (72) Ю.Н.Дубницев (71) Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения AH СССР (53) 532.574(088.8) (56) 1. Патент США № 3548665, кл. 73-194, 1970.

2. Дубнищев Ю.Н. и др. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М., "Наука", 1983, с. 187-194 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ. СКОРОСТИ, заключающийся в формировании оптическим излучением в исследуемой среде интерференционного поля с известной пространственно-частотной структурой, формировании пространственного Фурьеспектра этого поля в свете, рассеянном движущимися частицами, фильтрации

Фурье-спектра, пространственно-частот3159 .G 01 P 3/36 G 01 P 5/00 ным периодическим фильтром, согласованным -со средним расстоянием между частицами, преобразовании селектированного оптического сигнала s электрический и измерении частоты электрического сигнала, по которому судят о скорости, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений путем увеличения, соотношения сигнал — шум, формируют оптическим излучением. отличным от первого спектральным составом, второе интерференционное поле с пространственночастотной структурой, противофазной структуре первого поля, селектируют оптический сигнал от первого интерференционного поля через четные полупериоды пространственно-частотного фильтра, а от второго интерференционного поля — через нечетные полупериоды пространственно-частотного фильтра. (93974

30

50

4 10

Изобретение относится к измери— тельной технике и может быть исполь— зовано для измерения скорости движения жидкостей, газов и рассеивающих свет поверхностей.

Известен способ измерения скорости механического движения, заключающийся в том, что в исследуемой среде формируют интерференционное световое поле с известной пространственно-частотной структурой, получают изображение этого поля в свете, рассеянном движущимися частицами, преобразуют оптический сигнал в электрический и измеряют частоту электрического сигнала Г1 3.

Недостатком способа является ограниченная точность измерений из-за . погрешности, вносимой фазовым шумом, возникающим вследствие наложения сигналов от .многих частиц при большой их концентрации.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения скорости, заключающийся в том, что в исследуе-. мой среде формируют оптическим излучением интерференционное поле с известной пространственно-частотной структурой, формируют пространственный Фурье-спектр этого поля в свете, рассеянном движущимися частицами, фильтруют Фурье-спектр пространственно-частотным периодическим фильтром, согласованным со средним расстоянием между частицами, преобразуют селектированный оптический сигнал в электрический и измеряют частоту электри ческого сигнала, по которой судят о скорости. В известном способе достигается более высокая в сравнении с другими способами точность путем снижения уровня фазовых шумов при измерениях в реальном масштабе времени с исследуемыми процессом 3 23.

Недостатком известного способа является ограниченная точность измерений из-за присутствия в селектированном оптическом сигнале некогерентной компоненты и погрешности компенсации ее в электрическом сигнале, поскольку невозможно при измерениях в реальном масштабе времени выравнять амплитуды когерентной и некогерентной компонент достаточно точно.

Цель изобретения — повышение точности измерений путем увеличения соотношения сигнал — шум.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения скорости, заключающемуся в формировании оптическим излучением интерфе ренционного поля с известной пространственно-частотной структурой, формировании пространственного Фурьеспектра этого поля в свете, рассеянном движущимися частицами, фильтрации Фурье-спектра пространственночастотным периодическим фильтром, 10 согласованным со средним расстоянием между частицами, преобразовании селектированного оптического сигна- ла в электрический и измерении частоты электрического сигнала, по которому судят о скорости, формируют оптнческим излучением, отличным от первого спектральным составом, вто- р рое интерференционное поле с йростран ственно-частотной структурой, проти20 вофазной структуре первого поля, селектируют оптический сигнал от первого интерференционного поля через четные полупериоды пространственночастотного фильтра, а от второго интерференционного поля — через нечет- . ные полупериоды пространственно-частотного фильтра.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа с селекцией сигналов по спектральным линиям, на фиг. 2 — схе-, ма устройства с селекцией но ортогональным поляризациям.

Устройство содержит последовательно расположенные лазер 1, формирователь интерференционного поля, состоящий из последовательно размещенных согласующего объектива 2, дисперсионной призмы Э, объектива 4, однополосного акустооптического модуляторарасщепителя 5, расположенной на пути одного из расщепленных пучков дисперсионной фазовой пластинки б и ахроматического объектива 7, последовательно за которым установлен ахроматический формирователь пространственного Фурье-спектра 8, в Фурье-плос кости которого установлен пространственно-частотный периодический фильтр

9, за которым помещен фотоприемник

10. К фотоприемнику подключен измеритель 11 частоты электрического сигнала. Дисперсионная призма 3, объектив 4, однополосный акустооптический модулятор 5 и фазовая пластинкаоб .образуют в совокупности расщепитель лазерного пучка.

3 1093

В устройстве (фиг. 2) расщепитель лазерного пучка выполнен в виде поляризационной призмы 12.

Пространственно-частотный периодический фильтр 9 может быть выполнен 5 в случае бихроматического зондирующего поля в виде, например, прозрачной пластины с периодически распределенным в ее, плоскости диэлектрическим р ногослойным покрытием,.селективным по отношению к длине волны падающего излучения. В четных полупериодах такое покрытие выполняется прозрачным только для длины волны Л, а в нечетных — прозрачным только для нзлу15 чения с длиной волны Л (например, синяя и зеленая линии излучения аргонового лазера).

Дисперсионная призма 3 помещена для согласования линий лазерного излучения с углами Брэгга в акустооптической ячейке. Дисперсионная фазо- . вая полуволновая пластинка 6 установлена на пути расщепленных пучков для введения 180 сдвига фаз между прост- ранственно-частотными структурами сформированных интерференционных полей, имеющих одинаковый размер интерференционных полос %, Способ осуществляется следующим образом.

В устройстве (фиг. 1) бихромати-, ческий лазер 1, согласующие объективы 2 и 4, акустооптический модуляторрасщепитель 5 и ахроматический объектив 7 формируют в исследуемой среде суперпозицию двух интерференционных нолей, отличающихся по спектру лазерного излучения.

Поскольку.:зондирующие поля, сфор-.

40 мированные различными линиями .лазерного излучения, имеют противофазную пространственно-частотную структуру, когерентные оптические сигналы, полу- ченные при рассеянии этих полей на движущихся частицах, находятся в

:противофазе.

r""

При этом амплитуда когерентного сигнала имеет наибольшее значение, если расстояние между частицами близ- 50 ко к величине периода пространственного Фурье-спектра функции, описывающей фильтр. Структура этого спектра состоит иэ последовательности мнимых источников, расстояние между ко- 55 торьиаю определяется пространственным периодом фильтра. Размер каждого источника равен расстоянию между пер974 4 выми нулями пространственного Фурьеобраза линейной апертуры фильтра.

Некогерентный оптический сигнал, интегрированный по апертуре фильтра, практически обращается в нуль, так как он усредняется по большому числу противофазных сигналов,,распределенных по апертуре.

Когерентная составляющая интенсивности оптического сигнала и пьедестал преобразуются фотоприемником в электрический сигнал. Низкочастотный пьедестал электрического сигнала отфильтровывается и измеряется частота когерентной составляющей ь, которая связана.с периодом ф(зондирующего поля соотношением ч= щ, Для подстройки измерительной системы под изменяющееся среднее расстоя. ние между рассеивающими частицами в среде оптический Фурье-преобразователь выполняют с переменным масштабом преобразования.

Действие устройства, показанного на фиг. 2, аналогично действию вышеописанного устройства со спектральным разделением зондирующих интерференционных полей, однако последние, имеющие противофазную пространственно-частотную структуру, отличаются ортогональными поляризациями. Плоскости поляризации, в которых сформированы эти поля, ортогональны и развернуты на 45О относительно плоскостей поляризации формирующих лазерных пучков. Пространственно-частотный фильтр 9 выполнен из периодически чередующихся полосок поляризаторов.

В четных полупериодах пропускается свет, поляризация которого совпадает с поляризацией одного из зондирующих интерференционных полей, а в нечетных полупериодах — пропускающих ортогонально поляризованный свет от друго" го интерференционного поля, пространственно-частотная структура которого противофазна структуре первого поля.

Для этого оси пропускания поляризаторов в четных и нечетных полупериодах. пространственно-частотного фильтра развернуты соответственно на угол

45 относительно плоскостей поляриза-„ ции световых пучков на выходе поляризационной призмы 3.

Повышенная точность достигается тем, что в оптическом сигнале, селек тированном согласованным пространсг1093974

Составитель Ю.Власов

Техред Т.Фанта Корректор О.Билак

Редактор А.Козориз.Заказ 3416/36 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 венно-частотным фильтром, отсутству- ет некогерентная компонента. Поэтому исключается погрешность, связанная с невозможностью полной компенсации ее в электрическом сигнале при измерениях в реальном масштабе времени, как это имеет место в известном способе,и повышается соотношение сигнал — шум.