Устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения




Владельцы патента RU 2788568:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)

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.



 

Похожие патенты:

Датчик гальванометрического сканатора включает блок осветителя, включающий светодиод, щелевую диафрагму, установленную в непосредственной близости от него, поворотное зеркало, апертурную диафрагму, линзу, а также ротор сканатора, установленный в исполнительном двигателе, плоскопараллельную пластину, закрепленную на роторе сканатора, и дифференциальный фотодиод с двумя фоточувствительными площадками.

Устройство относится к области контрольно-измерительной техники и касается лазерного волоконно-оптического измерителя начальной скорости снаряда. Измеритель содержит лазер с частотой излучения ƒ0, волоконно-оптический коллиматор, направляющий излучение лазера на снаряд, зеркальную телескопическую систему, волоконные разветвители и смесители, бипризму, два волоконно-оптических коллиматора и два фотоприемника.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при испытаниях лазерной баллистической измерительной системы. Технический результат - установление точности измерения начальной скорости снаряда и угловой скорости вращения лазерной баллистической измерительной системы.

Изобретение относится к электронной технике и автоматике. Система с обратной связью, содержащая последовательно включенные в замкнутый контур дифференциальный усилитель, регулятор, усилитель с изменяемым коэффициентом усиления и объект, причем положительный вход дифференциального усилителя является входом системы, его отрицательный вход соединен с выходом объекта, который является выходом системы, при этом в нее введен анализатор сигнала ошибки, включенный между выходом дифференциального усилителя и управляющим входом усилителя с изменяемым коэффициентом усиления.

Изобретение относится к бесконтактным измерителям параметров движения протяженных объектов. Заявленный способ измерения скорости движения протяженного объекта основан на проецировании его изображения на экран приемника излучения и преобразовании элементов изображения в электрические сигналы.

Изобретение относится к оптической измерительной технике. Доплеровский волоконно-оптический измеритель начальной скорости снаряда содержит одночастотный лазер, волоконно-оптический разветвитель, коллиматор, приемную телескопическую систему, оптическая ось которой составляет угол ϕ к траектории полета снаряда, фотоприемник и блок обработки информации.

Устройство относится к области морского приборостроения и предназначено для использования в качестве относительного и абсолютного лага, а также измерителя скорости течений для приповерхностных и глубоководных исследований преимущественно при малых глубинах под килем. Лазерный судовой измеритель скорости содержит передающий канал, включающий полупроводниковый модуль с дифракционно-оптическим делением лазерного пучка и содержащий полупроводниковый модуль, дифракционную решетку, первый объектив, пространственный фильтр, второй объектив, и приемный канал, включающий фокусирующий объектив, диафрагму, фотодиод и предварительный усилитель, подключенный к преобразователю доплеровского сигнала, вычислительное устройство, при этом приемный канал дополнительно содержит вторую диафрагму и второй фотодиод с предварительным усилителем, подключенным к второму преобразователю доплеровского сигнала, при этом выходы преобразователей доплеровского сигнала подключены к вычислительному устройству, передающий и приемный каналы размещены в герметичном корпусе, снабженном в нижнем основании корпуса защитным окном.

Использование: для увеличения динамического диапазона чувствительности многоканального измерителя скорости. Сущность изобретения заключается в том, что мощность подаваемого на схему регистрации света в разных измерительных каналах регулируют электрооптическими элементами, данное изменение мощности производится на основе сравнения мощности сигнала, отраженного от исследуемого объекта, с заранее данным опорным сигналом и в зависимости от разности опорного и отраженного от исследуемого объекта сигналов устанавливают напряжение на электрооптическом элементе такое, чтобы данная разность сигналов была минимальна, для чего изменяют мощность лазерного излучения, при этом опорный сигнал для управления электрооптическим элементом в каждом канале устанавливают перед началом эксперимента, настраивая изначальный опорный сигнал на электрооптических элементах так, чтобы отраженный сигнал был максимальный, но приблизительно одинаковый во всех каналах, измеряемых одной схемой регистрации, а также чтобы он не повреждал фотодиоды.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угловой скорости. Сущность: формируют пучок когерентного оптического излучения с управляемой частотой излучения.

Изобретение относится к средствам измерения параметров движения контролируемого объекта и может быть использовано для измерения скорости движения аппаратов в космическом пространстве. Устройство для измерения скорости содержит установленный на борту движущегося объекта оптический датчик, включающий фокусирующие линзы, два фотоприемника и электронный блок, два входа которого связаны с выходами фотоприемников, согласно предложенному решению введены две зрительные трубы, фокусирующие линзы встроены в зрительные трубы, фотоприемники закреплены на концах зрительных труб, при этом зрительные трубы установлены на определенном расстоянии друг от друга таким образом, что их оптические оси параллельны и перпендикулярны к направлению движения объекта, а в качестве источника света использован свет звезды.
Наркология
Наверх