Устройство для измерения скорости движения

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ п1 413892

Сааз Советских

Социалистических

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства ! (22) Заявлено 20.12.71 (21) 1726711/18-10 (51) М. Кл. G Olp 3/36

G 01р 5/00 с присоединением заявки № (32) Приоритет

Опубликовано 05.09.74. Бюллетень № 33

Дата опубликования описания 17.02.75

Государственный комитет

Совета Министров СССР па делам изобретении и отирытий (53) УДК 531.767:532. .574.082.088.7 (088.8) (72) Авторы изобретения

Ю. Н. Дубнищев и Ю. Г. Василечко

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения

АН СССР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ

Известны устройства для измерения скорости, действие которых основано на выделении доплеровского сдвига частоты в свете, рассеянном объектом в направлении, обратном падающему пучку. В полосе частот полезного сигнала на выходе этих устройств имеется высокий уровень шумов, частотный спектр которых определяется лазерными шумами и свойствами рассеивающего объекта.

Однако такие устройства имеют малое отношение сигнал/шум выходного сигнала.

Для снижения уровня шумов в предлагаемом устройстве установлены два квадратицных фотоприемника, между фокусирующей системой и фотоприемниками последовательно размещены фазосдвигающие элементы и расщепитель обратного рассеянного пучка, например призма Волластона, совмещенный с расщепителем падающего пучка. Выходы фотоприемников подключены к электронному блоку измерения частоты через,дифференциальный усилитель.

На фиг. 1 показана оптическая схема устройства; на фиг. 2, а, б — векторные диаграммы.

Схема содержит последовательно расположенные источник 1 когерентного линейно-поляризованного света (лазер), фазовую четвертьволновую пластинку 2, объектив 3, расщепитель 4 обратного рассеянного пучка, например призму Волластона, совмещенный в фокальной плоскости объектива с расщепителем падающего пучка, объектив 5, образующий с объективом 3 телескопическую систему, 5 и фокуспрующий объсктив 6. Между объективами помещены фазосдвигающие элементы 7, которые могут быть выполнены в виде: двух полуволновых пластин, одноименные осп которых ориентированы под углом 22,5 к плоско10 сти поляризации соответствующих расщепленных пучков; четвертьволновых пластин, помещенных в оба расщепленных пучка; полуволновой пластины, помещенной на пути рассеянного пучка и ориентированной одной пз своик

15 осей под углом 22,5 к плоскости голярпзацпи одного пз падающих пучков.

Перед объективом 6 установлены диафрагмы 8 и 9 на пути расщепленных падающих пучков и полевая диафрагма 10, ограничиваю20 щая обратный рассеянный пучок. Квадратичные фотоприемники 11 и 12 с линзами 13, 14 и полевыми диафрагмами 15, 16 помещены соответственно на пути расщепленных призмой

4 рассеянных пучков. Выходы фотоприемников

25 подключены к электронному блоку 17 измерения частоты через дифференциальный усилитель 18.

Луч лазера, имеющий после прохождения четвертьволновой фазовой пластины и объек50 тива 3 круговую поляризацию, попадает на

413892 поляризационную призму н расщепляется нз два пучка одинаковой интенсивности с взаимно ортогональными поляризациями. Расщепленные пучки ооъективом 5 преобразуются в параллельные и после прохождения фазосдвигающих элементов фокусируются объективом

6 на объект, скорость движения которого подлежит измерению. Рассеянный объектом в области пересечения падающих пучков свет собирается объективом 6, ограничивается диафрагмой 10 и объективом 5 направляется на поляризационную призму 4, где расщепляется на два пучка. Каждый из расщепленных рассеянных пучков линзами 3 (14) через диафрагмы

15 (16) направляются на соответствующий квадратичный фотоприемник 11 (12) .

Если фазосдвигающие элементы 7 выполнены в виде двух полуволновых пластин, одноименные оси которых ориентированы под углом 22,5 к плоскости поляризации соответствующих расщепленных падающих пучков, или одной полуволновой пластины, помещенной на пути рассеянного пучка и ориентированной также, то падающий на поля риз ационную призму рассеянный пучок (фиг. 2) представляет две ортогональные поляризационные со+ \. ставляющие, Е1 и Е2, имеющие одинаковую интенсивность и повернутые относительно главных осей поляризационной призмы на угол

45 . Следовательно, в один из расщепленных пучков Е, составляющие от соответствующих поляризаций падающего на призму рассеянного пучка входят в фазе, тогда как в другой пучок Е; — в противофазе, т. е.

Ех — Е1х + Егх (1)

Е=Е,— Е, где i(0 ехр (/(с, + ва ) /), Е, =Е, == () ехр(/("o+ к )t)

Ег () 2 где coII — частота падающего светового пучка; вд, и оо, — доплеровские сдвиги частоты в рассеянном пучке;

-о ° а, = V(I(s — К,) — ). "4 од, = 1 (К8 Кг) где V — вектор скорости рассеивающего объекта в области пересечения падающих пучков;

К и К2 — волновые векторы соответствующих падающих пучков;

-О

Кг — волновой вектор выделенного рассеянного пучка.

Световые пучки описываются здесь плоскими волнами

Случаю, когда фазосдвпгаюшпс элс:cII I выполнены в виде четвертьволновых пластин, помещенных в оба расщепленных падающих пучка, соответствует векторная диаграмма, 5 показанная на фиг. 2. Из нее следует, что для расщепленных рассеянных пучков также справедливы cQQTHQIIIGIIIIH (1) .

Учитывая, что сигнал на выходе квадратич10 ного фотоприемника можно представить в виде

1 = z IEI, (2) где а — коэффициент, учитывающий чувствительность и усиление фотоприемника, полу15 чаем из выражений (1) и (2)

Е1 (t) Е2 (t)

2 2

+ Е, (t) E, (/) cos (ф

Ià — а(Е, — E )г=я

Е1 (t) Е (t) — Е, (t)E,(/) cos(h t) (4) где

Лма — в, — ад, — V (I(, — К,).

Результирующий сигнал на выходе дифференциального усилителя равен разности сиг35 палов с первого и второго фотоприемников.

Из формул (3) и (4) следует

М = I, — 1г = 2хЕ, (t) E, (t) cos (Ьад ). (5)

Из сравнения выражения (5) с выражения40 ми (3) и (4) видно, что из результирующего сигнала исключены постоянная составляющая и аддитивные шумы.

Предмет изобретения

1. Устройство для измерения скорости движения, содержащее последовательно расположенные источник когерентного линейно-поля5Q ризованного света, например лазер, расщепитель падающего пучка, фокусирующую оптическую систему, квадратичный фотоприемник с собирающим обратно рассеянное излучение объективом и электронный блок измерения частоты, отличающееся тем, что, с целью снижения уровня шумов, параллельно первому фотоприемнику установлен второй фотоприемник, между фокусирующей системой и фотоприемниками последовательно размещены фазосдвигающие элементы и расщепитель обратного рассеянного пучка, например призма

Волластона, совмещенный с расщепителем падающего пучка, а выходы фотоприемников через дифференциальный усилитель подключе65 ны к электронному блоку измерения частоты.

413892

1

М аг. 1

2У

Фия. 2

Составитель С. Ющенко

Техред Г. Дворина

Редактор Т. Рыбалова

Корректор Т. Гревцова

Заказ 236, I Изд. ¹ 256 Тираж 6 8 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4, 5

Типография, пр. Сапунова, 2

2. Устройство по и. 1, отл и ч а ю щеес я тем, что фазосдвигающие элементы выполнены в виде полуволновой пластины, установленной в каждом из двух падающих пучков под углом 22,5 к плоскости поляризации.

3. Устройство по и. 1, отличающееся тем, что фазосдвигающий элемент выполнен в виде полуволновой пластины, помещенной на пути рассеянного пучка под углом 22,5 к плоскости поляризации.

4. Устройство по п. 1, отличающееся

5 тем, что фазосдвигающие элементы выполнены в виде четвертьволновых пластин, помещенных в оба расщепленных пучка.