Лазерный доплеровский измеритель скорости

 

. ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ, содержащий лазер и оптически согласованные с ним фокусирующий и собирающий объективы, апертурную диафрагму, поляризационный pacп eпитeль, два фотоприемника и блок обработки доплеровской частоты , отличающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности , в него введены формирователь двух сдвоенных лучей с различными частотами и взаимно ортогональными поляризациями, установленный между лазером и фокусирующим объективбм и выполненный преимущественно в виде оптически согласованных расщеЛителя, пары вращателей плоскости поляризации и пары четвертьволновых пластин, установленных последовательно на пути расщепленных лучей, а также смеситель , подключенный входами к выходам фотоприемников, а выходом - к блоку обработки доплеровской частоты. У

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

69) (И) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

OO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И. ОТНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М .ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3552018/18" 10 (22) 11 ° 02.83 (46) 23. 06. 84. Бюл. 9. 23 (72) В.М.Землянский (71) Киевский ордена Трудового Крас-: ного Знамени институт инженеров гражданской авиации (53) 532(088.8) (56) 1. Василенко Ю.Г. и др. Лазерные доплеровские измерители скорости. "Наука",.СО Новосибирск", 1975, с. 58-59 (прототип). (54)(57) 1,. ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ

ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ, содержащий лазер и оптически согласованные с ним фокусирующий и собирающий объективы, апертурную диафрагму, поляризацион эш G 01 Р 3/36; G 01 P 5/00 ный расщепитель, два фотоприемника и блок обработки доплеровской частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, в него введены формирователь двух сдвоенных лучей с различными частотами и взаимно ортогональными поляризациями, установленный между лазером и фокусирующим объективом и выполненный преимущественно в виде оптически согласованных расщеЬителя, пары вращателей плоскости поляризации и пары четвертьволновых пластин, установленных последовательно на пути расщепленных лучей, а также смеситель, подключенный входами к выходам s фотоприемников, а выходом — к блоку обработки доплеровской частоты.

1 1099

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения локальной скорости потока жидкости или газа оптическими средствами. 5

Известен лазерный доплеровский измеритель скорости, содержащий лазер и.оптически согласованные с ним фокусирующнй и собирающий объективы, апертурную диафрагму, поляризационный fp расщепитель, два фотоприемника и блок обработки доплеровской частоты, а также расщепитель, установленный между лазером и фокусирующим объективом, и дифференциальный усилитель, через 15 который выходы фотоприемников подключены к блоку обработки доплеровской частоты (1) .

Однако известное устройство имеет, недостаточную чувствительность, что ограничивает нижний диапазон измеряемых скоростей.

Целью изобретения является повышение чувствительности лазерного доплеровского измерителя скорости.

Поставленная цель- достигается тем, что в лазерный доплеровский измеритель скорости, содержащий лазер и оптически согласованные с ним

30 фокусирующий и собирающий объективы, апертурную диафрагму, поляризацион-. ный расщепитель, два фотоприемника и.блок обработки доплеровской частоты; введены формирователь двух сдвоенных лучей с различными частотами и взаимно ортогональными поляризациями, установленный между лазером и фокусирующим объективом и выполненный преимущественно в виде оптически согласованных расщепителя, пары вращателей.плоскости поляризации и пары четвертьволновых пластин, установленных последовательно на пути расщепленных лучей, а также смеситель, подключенный входами к выходам фотоприемников, а выходом — к блоку обработки.доплеровской частоты.

Ва фиг. 1 представлена блок-схема лазерного доплеровского измерителя скорости, работающего на рассеянном вперед свете; на фиг. 2 — 6 — варианты построения устройства формирования двух лучей, каждый из которых имеет различные частоты и взаимно ортогональные линейные поляризации; на фиг. 7 — блок-схема лазерного доплеровского измерителя скорости, работающего на рассеянном назад свете;

284 2 на фиг. 8 — 11 — варианты построения устройства формирования двух лучей, каждый из которых имеет различные частоты и взаимно ортогональные круговые поляризации; на фиг. 12 — блоксхема лазерного доплеровского измерителя скорости, работающего в рассеянном назад свете.

Лазерный доплеровский измеритель (фиг. 1) состоит из лазера 1, излучающего луч 2, устройства 3, формирующего два луча 4 и 5, каждый из которых представляет суперпозицию двух пространственно .. совмещенных пучков, имеющих различные частоты f1 и f< и взаимно ортогональные линейные поляризации, фокусирующего объектива 6, области 7 измерения, движущейся со скоростью V потока, собирающего рассеянный свет 8. объектива 9, апертурной диафрагмы 10 с крестообразным отверстием, поляризационной призмы 11, двух фотоприемников 12 и 13, смесителя N и измерителя 15 gonneровской частоты.

Устройства 3 формирования двух лучей состоят из расщепителя 16, вращателей 17 и 18 плоскости поляризации, четвертьволновых пластин 19 и 20 (фиг. 2); из устройства 2 1 сдвига частоты, состоящего из четвертьволновых пластин 22 и 23 и вращающейся четвертьволновой пластины 24, и полуволновой пластины 25 (фиг.3); четвертьволновой пластины 26 и полуволновой пластины 27, при этом 28— эеемановский лазер (фиг. 4); иэ интерферометра Жамена, состоящего иэ двух полупрозрачных зеркал 29 и 30 и двух зеркал 31 и 32, частотосдвигающего устройства 33, полуволновых пластин 34 и 35, зеекала 36 (фиг.5); из двух четвертьволновых пластин 37 и 38, при этом 39 - кольцевой лазер, излучающий два пространственно разделенных луча 2 (фиг. 6).

В лазернбм измерителе скорости, представленном на фиг. 7, в отличие от схемы на фиг. 1 установлен поляризационный расщепитель 11, состоящий из четвертьволновой пластины 40 и поляризационной призмы 41. В этой схеме устройство 3 формирования двух лучей состоит из расщепителя 42 и вращателей 43 и 44 плоскости поляризации (фиг. 8); из ортогонального преобразователя 45 поляризации, состоящего из четвертьволновых плас3 1099 тин 46 и 47 и полуволновой пласти- ны 48, при этом 49 — зеемановский лазер (фиг. 9); из устройства 50 сдвига частоты, состоящегЬ из вращающейся полуволновой пластины 51 и четвертьволновой пластины 52, двух четвертьволновых пластин 53 и 54 (фиг. 10); из светоделителя 55 и двух поворотных зеркал 56 и 57, при этом 58 — зеемановский лазер (фиг.11).1р

В лазерном измерителе скорости, представленном на фиг. 12, в отличие, от схем на фиг. 1 и 7 установлены зеркало 59 и диафрагма 60 со щелеобразным отверстием, лежащим в плоскос- 15 ти лучей 4 и 5.

Лазерный доплеровский измеритель скорости (фиг. 1) рабо ает следующим образом.

Лазер 1 излучает линейно поляри20 зованный луч 2, поступающий на вход устройства 3 формирования двух лу- . чей, на выходе которого формируются два параллельных луча 4 и 5, причем

25 луч 4 представляет суперпозицию двух пространственно совмещенных пучков, один иэ которых, вертикально поляризованный, имеет частоту fy, а другой, имеющий горизонтальную поляризацию, частоту f<. Луч 5 также состоит иэ двух пучков, один из которых, поляризованный в вертикальной плоскости, имеет частоту f<, а другой, горизонтально поляризованный — частоту f1.

Далее лучи 4 и 5 фокусируются объективом 6 в исследуемую область 7 потока.

Рассеянное движущимися частицами излучение Я собирается объективом 9 . в пределах пространственйой области, 40 ограниченной дйафрагмой 10, и направляется объективом 9 на вход поляризационной призмы 11, которая делит рассеянное излучение на два пучка, один из которых, имеющий горйзонталь- 4> ную поляризацн, поступает на фото детектор 12, другой,.имеющий вертикальную поляризацию — на фотодетектор 13. В результате оптического гетеродинирования на выходе фотодетектора 12 образуется переменная составляющая сигнала на частоте .

-Ьо +я, а на выходе фотоприемника 13 - равная ей по амплитуде переменная составляющая сигнала на час- S5 тоте ьЯ -v, где ь4 «2к(f» -f ). сигналы с выходов фотоприемников 12 и 13 поступают на входы смесите284 4 ля 14, на выходе которого выделя тся разностная .частота, равная 2и1р которая измеряется измерителем доплеровской частоты.

Рассмотрим более подробно работу различных вариантов построения схем устройства 3 формирования двух лучей, которые могут быть использованы в рассматриваемой схеме. В устройстве 3 (фиг. 2) луч 2 делится расщепителем 16 на два луча. Один из лучей 4 поступает на вращатель 17 плоскости поляризации, которьй, например, представляет электрооптическую пластину, помещенную во вращаю-, щееся с угловой скоростью 4 9» полуволновое электрическое поле. На выходе четвертьволновой пластины 19 в этом случае имеются вертикально и горизонтально поляризованные составляющие волны с частотами Я, = Ц>+ьй» и со 4 -Ьй йдц-частота излучения лазера) . Луч 5 проходит через аналогичный вращатель 18 плоскости поляризации и четвертьволновую пластину 20, азимут оси которой составляет б =6 +90

» - У где 8< — азимут оси четвертьволновой пластины 19. В этом случае на выходе пластины 19 формируются также вертикально и горизонтально поляризованные составляющие волны соответственно с частотами у . =Q — Ьй и о

rd»=4)0+ Ьа».

В устройстве 3 (фиг. 3) линейно поляризованный луч 2 поступает на вход устройства 21 сдвига частоты, которое состоит из последовательно установленных четвертьволновой пластины 22, вращающейся с угловой скоростью 4Q», четвертьволновой пластины 24 (например, электрооптический кристалл, помещенный во вращающееся четвертьволновое электрическое поле) и четвертьволновой пластины 23. На выходе такого устройства 21 имеются две пространственно совмещенные горизонтально и вертикально поляризованные волны с частотами Qo и (а„-26я °

Этот пучок делится расщепителем 16 на два луча 4 и 5, причем луч 5 проходит через полуволновую пластину 25, с помощью которой осуществляется по- ворот плоскости поляризации волны на 90, В устройстве 3 (фиг. 4) зеемановский двухчастотный лазер 26 излучает луч 2, представлякиций суперпозицию

1099284 двух взаимно ортогонально поляризованных по кругу волн с частотами

Я И.Q . Этот пучок с помощью чет1 вертьволновой пластины 26 преобразуется в две волны с взаимно ортогональ-5 ными линейными поляризациями, которые делятся расщепителем 16 на два луча 4 и 5, причем на пути луча 5 установлена полуволновая пластина 27, осуществляющая поворот. плоскости по- 10 ляризации луча 5 на 90 .

В устройстве 3 (фиг. 5) линейно поляризованный луч 2 с частотой й)„ делится светоделителем 29 на два луча, один иэ которых затем делится 15 светоделителем 30 на два луча 4 и 5.

Луч 5, отразившись от светоделителя 30, проходит через полуволновую пластину 35, предназначенную для поворота плоскости поляризации луча 20 на 90 . Второй луч, отразившись от светоделителя 29 и зеркала 31, прохо, дит через частотосдвигающее устройство 33 (например, акустооптическую ячейку Брегта), где смещается по 25 частоте. Далее этот луч после отражения от зеркала 32 и прохождения полуволновой пластины 34, предназначенной для поворота плоскости поляризации на 90, делится светоделителем также на два луча 4 и 5. Таким обра: зом, луч 4 представляет суперпозицию двух пространственно совмещенных пучков, имеющих горизонтальную и

I вертикальную поляризацию и соответственно частоты M иск =ь1„+ай,. Луч 5 состоит также из горизонтально и вертикально поляризованных составляющих .волн соответственно на частотах

< > = 4)р+ d 0 „и 0)()

В учтройстве 3 (фиг. 6) кольцевой лазер 39 с анйзотропным резонатором генерирует два пространственно разделенных луча 2; каждый из которых сОстОит иэ двух Ортогонально поляри 4 зованных по кругу составляющих на частотах (, иса2 . С помощью четвертьволновых пластин 37 и 38, азимут оси одной из которых развернут на 90 по отношению к азимуту оси второй пластины, формируются два луча 4 и 5, им*еющих взаимно ортогональные линей- . ные поляризации.

Рассмотрим особенность работы схемы лазерного доплеровского измерите-, ля (фиг. 7), в котором используется устройство 3 для формирования двух лучей 4 и 5, каждый из которых состоит иэ двух взаимно ортогональных поляризованных по кругу пучков с частотами f<, и f2. Лучи 4 и 5 фокусируются объективом 6 в область измерения. Рассеянное излучение 8 собирается объективом 9 и направляется на вход поляриэационного расщепителя 11, состоящего из четвертьволновой пластины 40 и поляризационной призмы 41. Рассеянное излучение 8, имеющее круговую поляризацию, преобразуется с помощью четвертьволновой пластины 40 в излучение с линейной поляризацией. Поляризационная призма 41 делит рассеянное излучение 8 на два пучка, один из которых направляется на фотоприемник 12, а другой — на фотоприемник 13. В результате оптического гетеродинирования на выходе фотоприемника 12 образуется сигнал на частоте A Q +Qg, а на выходе фотоприемника 13 — на частотеЬР -(д -.

Эти сигналы поступают на смеситель, на выходе которого выделяется разностная частота 2g которая измеряется измерителем 15 доплеровской частоты. .Рассмотрим р боту различных схем устройства 3 формирования двух лучей, которые мзгут быть использованы в схеме по фиг. 7. В устройстве 3 (фиг. 8) луч 2 делится расщепителем 42 на два луча 4 и 5, которые далее Проходят через вращатели 43 и 44 плоскости поляризации. Если устройство 43 вращает плоскость поляризации луча, например, по часовой стрелке, а устройство 44 против часовой стрелки, то луч 4 состоит из право- и левоциркулярно поляризованных волн соответственно на частотах ц„и у2, а луч 5 со тоит из левон правоциркулярно поляризованных волн соответственно на частотах ц, и Ы2 °

В устройстве 3 (фиг. 9) зеемановский лазер 49 излучает луч 2, который делится расщепителем 42 на два луча 4 и 5, причем луч 5 проходит через ортогональный преобразователь поляризации (состоящий из последовательно расположенных четвертьволновой, полуволновой и четвертьволновых пластин), который преобразует поляризацию входного пучка на взаимно ортогональное состояние поляризации.

В устройстве 3 (фиг.10) луч 2 поступает на вход устройства 50 сдви1099

ra частоты, состоящего, например, из вращающейся полуволновой пластины 51 и четвертьволновой пластины 52, на выходе которого образуются две ортогонально линейно поляриэационные составляющие волны на частотах а „ и и . Далее луч 2 делится расщепителем 42 на два луча 4 и 5, на пути которых установлены четвертьволновые пластины 53 и 54, причем 10 азимут Р оси пластины 53 равен

6 =6 +90, где 9 — азимут оси пластины 54.

В устройстве 3 (фиг. 11) зеемановский лазер 58 излучает луч 2, кото- 15 рый делится светоделителем 55 на два луча. Один луч проходит через светоделитель 55, а второй, отразившись от светоделителя 55, направляется на зеркала 56 и 57. Так как при отраже- щ нии происходит изменение направления вращения электрического вектора, луч 5 состоит из двух составляющих на частоте f< и f, имеющих .взаимно ортогональные круговые поляризации по 25 отношению к соответствующим составляющим луча 4 на частотах f< и f< .

Лазерный доплеровский измеритель скорости (фиг. 12) работает следующим образом. ЗО

Лазер 1 излучает луч 2, поступающий на вход устройства 3 формирования двух лучей, которое может быть выполнено либо по схемам на фиг. 2-6, либо по схемам на фиг. 8-11. Параллельные лучи 4 и 5 фокусируются объективом 6 в область 7 измерения. Рассеянное назад излучение 8 собирается

284

8 объективом 6 в пределах щелеобразной диафрагмы 60 и после отражения от зеркала 59 направляется объективом 9 на поляриэационный расщепитель 11.

Если лучи 4 и 5 состоят из двух линейно поляризованных составляющих, одна иэ которых поляризована в плоскости лучей 4 и 5, то рассеянное излучение сохраняет неизменным свое состояние поляризации при приеме излучения в пределах щелеобразной диафрагмы. В этом случае поляризационный расщепитель 11 делит пучок 8 на два луча, один из которых, поляризованный в горизонтальной плоскости, направляется на фотоприемник 12, а другой, поляризованный в вертикальной плоскости, на фотоприемник 13.

В результате оптического гетеродинирования на выходе фотоприемников. 12 и 13 образуются сигналы соответственно на частотах Ь Я + И и 6 а- Иг, которые поступают на смеситель Г4. СигI нал разностной частоты 2 И с выхода смесителя поступает в измеритель 15 доплеровской частоты.

Предлагаемый измеритель имеет более высокую чувствительность по сравнению с известным. Повышение чувствительности в два- раза достигается за счет использования в измерителе устройства формирования двух пучков и двухканальной схемы приема. Повышение чувствительности позволяет расширить нижний диапазон измеряежи скоростей и повысить точность измерения очень малых скоростей.

17 1

1099284

Фиг. 4

1099284

i@ca 7

Фиг. У

1099284 фиг. 10 90

Р,г,и

f/yv Х фиг. Q

ВНИИПИ Заказ 4366/38 Тираж 823 Подписное

Филиал ППП Патент, r.ужгород,ул.Проектная,4