Устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения

Изобретение относится к исследованию быстропротекающих процессов с применением эффекта Доплера. Устройство включает измерительный модуль с источниками лазерного излучения, формирующими опорные и зондирующие сигналы, оптическим измерительным каналом, с оптическими датчиками приема-передачи излучения, элементами пассивной оптики, волоконной линии задержки и высокоскоростными волоконными переключателями, снабженными генераторами управляющих сигналов, усилители отраженного излучения и регистрирующую аппаратуру, включающую осциллограф с фотодетектором, при этом в качестве датчиков используют измерительные приемники, включающие по два оптических коллиматора, взаимная ориентация которых выполнена таким образом, что через один из них передается зондирующее излучение, а через другой собирается отраженный сигнал, образуя активно-пассивную систему регистрации, при этом датчики заклонены во встречных направлениях таким образом, что угол между их оптическими осями не превышает 6°, а расстояние между центрами пятен зондирования двух датчиков не превышает диаметр пятна зондирования каждого из них. Технический результат - повышение качества и точности получаемых данных, повышение мощности зондирующего излучения. 4 ил.

 

Изобретение относится к области исследований быстропротекающих процессов с применением эффекта Доплера с помощью лазерной гетеродинной диагностики и может быть использовано для непрерывной регистрации скорости движущегося объекта/объектов.

Известно устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, представленное в материалах заявки на изобретение US 2008/0094608 (публ. 24.04.2008). Устройство может быть выполнено многомодульным. Один измерительный модуль устройства содержит источник лазерного излучения, четыре оптических измерительных канала, каждый из которых включает циркулятор, сумматор, делитель, рефлектор, датчик приема-передачи излучения (коллиматор) и регистрирующую аппаратуру - фотодетектор, при этом сигналы с четырех каналов поступают на один осциллограф. Излучение по оптоволоконному каналу передается от лазера через делитель и циркулятор к датчику. Собранный с движущейся поверхности свет с доплеровским сдвигом передается через циркулятор по оптоволокну к детектору. В качестве опорного излучения используется отражение излучения от рефлектора. Далее, опорное и отраженное излучения складываются с помощью сумматора. Затем посредством интерференции отраженного и опорного лучей, идущих в одном направлении в одном волокне, реализуется амплитудная модуляция результирующего сигнала по изменению фазы, регистрируемая фотодетектором. Сигнал с фотодетектора записывается с помощью широкополосного осциллографа. На одном канале осциллографа регистрируется сигнал с одного оптическою датчика.

Недостатком устройства является то, что при использовании одного лазера для формирования и сигнального и опорного излучений часть экспериментальной информации находится на получаемых спектрограммах в низкочастотной области, где на полезный сигнал накладывается шумовая составляющая высокой интенсивности. Следствием может являться значительное снижение качества регистрируемых данных, а также их частичная потеря.

В качестве ближайшего аналога заявляемому устройству выбран доплеровский измеритель скорости движущейся поверхности на основе интерферометра с волоконным вводом излучения (патент RU 2657135, публик. 08.06.2018). Для исключения влияния низкочастотных шумов и повышения информативности измерений в измерительный модуль введено 15 дополнительных источников лазерного излучения для образования из них восьми пар и формирования 64 измерительных каналов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте, при этом оптическая система доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности, предназначенная для трансляции, распределения и рекомбинации лазерного излучения, включает установленный в непосредственной близости к исследуемому объекту блок с волоконными циркуляторами и расположенное отдельно от этого блока устройство распределения лазерного излучения, представляющее собой отдельный блок, в который входят элементы пассивной оптики (ПО) - делитель, мультиплексоры и сумматоры, последние связаны с источниками лазерного излучения через высокоскоростные волоконные переключатели, которые расположены в своем отдельном блоке. Выходы волоконных циркуляторов соединены со входами мультиплексоров, обеспечивающих уплотнение сигналов с циркуляторов.

Недостатком ближайшего аналога является то, что получаемые с помощью него данные характеризуются наличием нулевых помеховых линий, которые в начальные моменты времени накладываются на полезный сигнал, не позволяя получить информацию о времени начала процесса и начальной скорости исследуемого объекта с требуемой точностью. Также данное устройство отличается относительно низкой мощностью зондирующего излучения (500 мВт) и соответственно не достаточно высокими значениями характеристики сигнал/шум получаемых спектрограмм.

Технический результат, достигаемый при применении заявляемого изобретения, заключается в значительном повышении качества и точности получаемых данных за счет полного отсутствия на экспериментальных данных нулевых помеховых линий и повышения мощности зондирующего излучения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что из оптической схемы доплеровского измерителя скорости исключается блок циркуляторов, что позволяет подавать на исследуемый объект излучение мощностью до 2 Вт.Также в качестве датчика используется измерительный приемник, включающий два оптических коллиматора, взаимная ориентация которых выполнена таким образом, что через один из них передается зондирующее излучение, а через другой собирается отраженный сигнал, образуя активно-пассивную систему регистрации. При этом датчики заклонены во встречных направлениях таким образом, что угол между их оптическими осями не превышает 6°, а расстояние между центрами пятен зондирования двух датчиков не превышает диаметр пятна зондирования каждого из них. Таким образом, нивелируется влияние обратного отражения от элементов оптической схемы на результирующий сигнал и исключается формирование нулевых помеховых линий.

На фиг. 1 представлена характеристика сигнал/шум получаемых спектрограмм с наличием нулевых помеховых линий при использовании прототипа: на фиг. 2 - отсутствие нулевых помеховых линий при использовании заявляемою изобретения, на фиг. 3 - измерительный приемник, на фиг. 4 изображена схема конкретного выполнения измерительного модуля заявляемого устройства, где:

1 - источник лазерного излучения №1, 2 - датчик №1, 3 - датчик 4 - оптический усилитель, 5 - источник лазерного излучения №2, 6 - оптический сумматор 90/10. 7 - фотодетектор, 8 - осциллограф.

Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить измерительный модуль с активно-пассивной регистрацией лазерного оптического гетеродин-интерферометра ЛОГИН, построенный по схеме фиг. 4 и включающий два волоконных лазера - для формирования зондирующего и опорного сигнала; два оптических датчика в конструктиве измерительного приемника (фиг. 3), которые заклонены во встречных направлениях таким образом, что угол между их оптическими осями составляет 6°, а расстояние между центрами точек зондирования двух датчиков не превышает 0,5 мм, причем через первый из них передается зондирующее излучение, а через второй собирается отраженный сигнал; оптический усилитель - для повышения мощности отраженного излучения; оптический сумматор 90/10 - для смешивания опорного и отраженного излучения; высокочастотный фотодетектор - для преобразования оптического сигнала в электрический; широкополосный осциллограф - для регистрации результирующего сигнала.

Измерительный модуль ЛОГИН с активно-пассивной регистрацией выполнен на следующей элементной базе;

- Источники лазерного излучения - волоконные, с выходной мощностью 2 Вт и отстраиваемой длинной волны в соответствии с таблицей 1, который включает

- Оптический сумматор 90/10 - волоконный, на длину волны λ=1550 нм

- Оптический усилитель - на длину волны λ=1550 нм. коэффициент усиления 10 дБ, минимальная входная мощность -40 дБм

- Фотодетектор - на длину волны λ=1550 нм, с шириной полосы пропускания 20 ГГц

- Осциллограф - с шириной полосы пропускания 20 ГГц и частотой дискретизации 50 ГГц

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Лазерное излучение от источника №1 (1) поступает на оптический датчик №1 (2) с помощью которого осуществляется зондирование исследуемой поверхности. Далее отраженное излучение собирается с помощью оптического датчика №2 (3) и пропускается через оптический усилитель (4). Опорное лазерное излучение формируется с помощью источника №2 (5). Усиленный отраженный сигнал суммируется с опорным в пропорции 90% (отраженное излучение) к 10% (опорное излучение) с помощью сумматора (6). Результирующий сигнал поступает на фотодетектор (7), откуда передается на канал регистрации осциллографа (8).

Таким образом, устранен недостаток ближайшего аналога, не позволяющий получить информацию о времени начала процесса и начальной скорости исследуемого объекта с требуемой точностью из-за наличия нулевых помеховых линий, которые в начальные моменты времени накладываются на полезный сигнал (фиг. 1). Как видно на представленной спектрограмме (фиг. 2). полученной с помощью заявляемого устройства, отсутствуют нулевые помеховые линии.

Устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, включающее по крайней мере один измерительный модуль, содержащий источники лазерного излучения, формирующие опорные и зондирующие сигналы, оптический измерительный канал, в состав которого входят оптические датчики приема-передачи излучения, элементы пассивной оптики, волоконные линии задержки и высокоскоростные волоконные переключатели, снабженные генераторами управляющих сигналов, усилители отраженного излучения и регистрирующую аппаратуру, включающую осциллограф с фотодетектором, отличающееся тем, что в качестве датчиков используют измерительные приемники, включающие по два оптических коллиматора, взаимная ориентация которых выполнена таким образом, что через один из них передается зондирующее излучение, а через другой собирается отраженный сигнал, образуя активно-пассивную систему регистрации, при этом датчики заклонены во встречных направлениях таким образом, что угол между их оптическими осями не превышает 6°, а расстояние между центрами пятен зондирования двух датчиков не превышает диаметр пятна зондирования каждого из них.