ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G01S17/00 

Изобретение относится к области лазерных доплеровских средств измерения и может быть использовано в экологии, метеорологии, физике атмосферы и других областях науки и техники, где необходимо измерять скорость газовых потоков и/или концентрацию газообразных веществ дистанционным методом в локальных областях пространства или вдоль протяженных трасс.

Лазерные доплеровские измерители основаны на выделении и последующем измерении параметров доплеровского сигнала, получаемого при рассеянии лазерного излучения исследуемым объектом или окружающей средой.

Известен лазерный доплеровский анемометр [1], состоящий из стабилизированного по частоте лазера, генерирующего линейно-поляризованное излучение, антенной сканирующей системы, гомодинного детектора и системы обработки доплеровского сигнала. Данный анемометр предназначен для работы в полевых условиях и используется на аэродромах для измерения скорости ветра вдоль глиссады.

Известен бортовой лазерный доплеровский измеритель истинной воздушной скорости летательного аппарата [2], состоящий из оптической головки, включающей лазер с системой стабилизации его параметров, оптический гомодинный преобразователь, моностатический приемо-передающий антенный блок, в котором приемная и передающая оптики совмещены, а также блока обработки доплеровского сигнала, включающего устройства измерения и регистрации частоты доплеровского сигнала и соответствующего ей значения скорости.

Указанные измерители работают по отражению от естественных аэрозолей, содержащихся в воздухе, обладают большой дальностью действия (до 300 - 1000 м) за счет использования оптического гомодинного преобразователя (ОГП) с поляризационной развязкой передаваемого и принимаемого излучений.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является лазерный доплеровский измеритель скорости [3], содержащий лазер, генерирующий линейно-поляризованное излучение, ОГП, моностатический приемо-передающий антенный блок и блок обработки преобразованного доплеровского сигнала.

ОГП выполнен по схеме интерферометра Маха-Цендера и включает делитель исходного плоскополяризованного излучения на два канала: канал формирования опорного пучка, в котором последовательно установлены поворотное зеркало и двулучепреломляющая полуволновая пластина, поворачивающая плоскость поляризации излучения на 90^o, и приемо-передающий антенный канал, в котором установлена поляризационная развязка, состоящая из пластины, расположенной под углом Брюстера и четвертьволновой пластины. В состав ОГП входит также оптический смеситель, фокусирующая линза и фотоприемное устройство.

Рассмотренные выше устройства позволяют не только измерять скорость воздушного потока [1, 2], но и определять ее знак [3]. Однако, они не дают информацию о концентрации веществ, поглощающих лазерное излучение.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей измерителя за счет измерения концентрации газообразных веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения.

Эта цель достигается тем, что в лазерный доплеровский измеритель [3] дополнительно введены второй лазер с линейно-поляризованным излучением, ориентированным таким образом, чтобы плоскости поляризации первого и второго лазеров совпадали, расположенный перед первым светоделителем блок сведения и переключения лучей, акустооптический модулятор (АОМ) с блоком управления, расположенный в канале формирования опорного пучка перед смесителем, второй светоделитель, установленный между первым светоделителем и пластиной, расположенной под углом Брюстера, и ориентированный таким образом, что часть излучения зондирующего пучка направлена в блок измерения мощности, и блок вычисления, один вход которого подключен к выходу блока обработки доплеровского сигнала, второй - к выходу блока измерения мощности, а третий - к выходу блока сведения и переключения лучей.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается от известного наличием новых блоков и связей между ними и другими блоками лазерного доплеровского измерителя. Дополнительно введенные элементы (лазер, блок сведения и переключения лучей, АОМ с блоком управления, светотделитель, блок измерения мощности измерения, блок вычисления) сами по себе не являются принципиально новыми. Однако их использование в заявляемом устройстве в указанной связи с другими блоками и оптическими элементами позволяет определить концентрацию веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения, расширяя тем самым функциональные возможности измерителя.

На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства. На фиг.2 один из возможных вариантов конкретной реализации схемы заявляемого устройства.

Лазерный доплеровский измеритель (ЛДИ) содержит лазеры 1, 2, на выходе которых установлен блок сведения и переключения лучей 3, а за ним первый светоделитель 4, связанный с каналами формирования опорного и зондирующего пучков. За первым светоделителем 4 по ходу распространения лазерного излучения располагается второй светоделитель 5, установленная под углом Брюстера пластина 6, четвертьволновая пластина 7 и моностатический приемо-передающий антенный блок 8, причем по ходу распространения отраженного от второго светоделителя 5 излучения расположен блок измерения мощности излучения 9, выход которого соединен со вторым входом блока вычисления 18.

Кроме того по ходу распространения отраженного от первого светоделителя 4 излучения установлены отражатель 10, полуволновая пластина 11, АОМ 12 с блоком управления 13, смеситель опорного и зондирующего пучков 14, фокусирующая линза 15, фотоприемное устройство (ФПУ) 16, выход которого соединен со входом блока обработки преобразованного доплеровского сигнала 17. При этом выход блока обработки доплеровского сигнала 17 соединен с первым входом блока вычислений значений концентрации веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения 18, а третий вход соединен с выходом блока сведения и переключения лучей 3.

Принцип измерения концентрации веществ заключается в измерении разности поглощений излучений на двух длинах волн, одна из которых совпадает с максимумом, а другая - с ближайшим минимумом поглощения исследуемого газа [4]. Зная разницу сечений и поглощения и длину области распространения излучений, можно определить среднюю концентрацию примесей газа в данной области.

Если обозначить через P₀₁ и P₀₂ исходные мощности лазерного излучения на длинах волн λ₁ и λ₂ соответственно и длины волн λ₁ и λ₂ выбраны настолько близкими, что при расчетах достаточно учитывать только разницу сечений поглощения исследуемого газа σ₁ и σ₂ , то мощности излучений P₁ и P₂, поступающие на приемник, находятся из выражений

где
- средняя концентрация исследуемого газа;
α - коэффициент поглощения (рассеяния), обусловленный всеми компонентами атмосферы, кроме исследуемого газа;
ρ - коэффициент диффузного рассеяния объекта;
A - площадь апертуры приемной антенны;
L - длина трассы;
γ - коэффициент, учитывающий потери в приемо-передающем тракте.

Из уравнений (1), (2) находим концентрацию газа:

где
σ₁₂= σ₁-σ₂ - дифференциальное сечение поглощения исследуемого газа.

ЛДИ работает следующим образом.

Пучок излучения первого лазера 1 с частотой ν₁ после блока сведения и переключения лучей 3 разбивается первым светоделителем на два - зондирующий и опорный.

Зондирующий пучок, пройдя первый светоделитель 4, второй светоделитель 5, установленную под углом Брюстера пластину 6, четвертьволновую пластину 7, направляется моностатическим приемо-передающим антенным блоком 8 в исследуемую область пространства. Отражаясь от частиц, находящихся в измерительном объеме, удаленном на расстояние L=F_АС, где F_АС - длина фокуса антенной системы, и имеющих ненулевую скорость относительно ЛДИ, сигнал приобретает доплеровский сдвиг частоты Δν₀₁, , принимается антенной системой 8 и вновь направляется на четвертьволновую пластину, пройдя которую и отразившись от брюстеровской пластины 6 попадает на смеситель 14.

Опорный пучок, отражаясь от первого светоделителя 4 и поворотного зеркала 10, проходит полуволновую пластину 11, АОМ 12 и смеситель 14.

Зондирующий и опорный пучки пространственно совмещаются на смесителе 14 и образуют на чувствительной площадке фотодетектора 16 биения интенсивности с доплеровской частотой Δν₀₁ . Эти биения преобразуются в ФПУ 16 и электрический сигнал с той же частотой Δν₀₁ и амплитудой V₁, который поступает в блок обработки доплеровского сигнала 17.

Во всех известных устройствах, в том числе в описанных устройствах-аналогах и устройстве-прототипе используется только лишь информация, содержащаяся в частоте доплеровского сигнала Δν₁ , которая является исходной для определения относительной скорости движения лазерного измерителя, точнее его носителя и объекта, являющегося источником рассеянного излучения (сигнала). Однако в состав блока обработки указанных устройств, как правило, входит устройство-спектроанализатор [1, 3], с выхода которого автоматически получают информацию не только о величине доплеровского "сдвига" отраженного или рассеянного сигнала, но и об амплитуде доплеровского сигнала, которая пропорциональна мощности рассеянного или перехваченного антенной ЛДИ сигнала.

Сигнал V₁ с выхода блока обработки доплеровского сигнала 17 поступает на вход блока вычисления 18. На другой вход блока вычисления 18 в это же время поступает сигнал V₀₁ с выхода блока измерения мощности 9, а на третий вход - сигнал-идентификатор U₁ с блока переключения и сведения лучей 3. Идентифицированные сигналы V₁, V₀₁ преобразуются во входном блоке вычислителя (аналого-цифровом преобразователе) и заносятся в запоминающее устройство вычислителя. Через некоторое время блок сведения и переключения лучей отключает первый лазер и включает в работу второй лазер. При этом на первый вход блока вычисления 18 с выхода блока обработки доплеровского сигнала 17 поступает сигнал V₂, на второй вход с выхода блока измерения мощности 9 сигнал V₀₂, а на третий вход блока вычисления 18 сигнал-идентификатор U₂ с блока сведения и переключения лучей [3].

В вычислителе осуществляется выполнение операций по реализации программы вычисления значений концентрации веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения в соответствии с формулами (1-3). Далее процесс измерений циклически повторяется.

ЛДИ может быть выполнен, например, как показано на фиг.2.

В качестве лазеров могут быть использованы непрерывные CO₂ лазеры типа ЛГН-901, ЛГН-903.

Блок сведения и переключения лучей представляет собой оптическую схему с устройством переключения лучей и устройством синхронизации. Исполнительным элементом устройства переключения является непрозрачный для излучения экран с двумя окнами. Устройство синхронизации блока сведения и переключения лучей может быть выполнено в виде оптико-электронной схемы, состоящей из пары светодиод 21 - фоторезистор 22, транзистора 23 и резисторов 24, 25, причем фоторезистор 22 включен между базой и эмиттером транзистора 23.

Синхронизация процесса измерений осуществляется следующим образом.

При верхнем положении экрана 19 излучение первого лазера проходит в нижнее окно экрана и идет в оптический тракт. При этом излучение второго лазера и светодиода 21 перекрывается экраном и на первый вход блока вычисления 18 с блока обработки доплеровского сигнала 17 поступает сигнал V₁, а на второй вход блока вычисления 18 с устройства синхронизации блока сведения и переключения лучей 3 сигнал-идентификатор U₁≈0, так как материал экрана непрозрачен для излучения светодиода 21, а темновое сопротивление фоторезистора 22 велико и транзистор 23 открыт.

В нижнем положении экрана 19 излучение второго лазера проходит в верхнее окно, излучение первого лазера перекрывается экраном, а излучение светодиода 21 попадает через нижнее окно на фоторезистор 22. При этом на первый вход блока вычисления 18 с блока обработки доплеровского сигнала 17 поступает сигнал V₂, а с устройства синхронизации блока переключения и сведения лучей 3 на второй вход блока вычисления - сигнал U₂, равный U, так как сопротивление фоторезистора 22 мало и транзистор 23 закрыт по переходу коллектор-база.

Элементная база устройства синхронизации блока сведения и переключения лучей 3 может быть следующей: светодиод - АЛ-310А, фоторезистор - СФ2-5, транзистор - КТ-315А.

При использовании в ЛДИ CO₂-лазеров, излучение которых лежит в ИК-диапазоне, светоделители могут быть выполнены из германия или селенида цинка.

В качестве блока измерения мощности может быть использован пироэлектрический приемник типа МГ-30 с электромеханическим модулятором.

В качестве АОМ можно использовать акустооптический модулятор МЛ-206, а в качестве блока управления АОМ - генератор Г4-154.

Спектроанализатор типа СК4-59, с выхода которого можно снимать информацию как о частоте (доплеровском сдвиге), так и об амплитуде доплеровского сигнала, - один из возможных вариантов реализации блока обработки доплеровского сигнала.

Вычислитель может состоять из аналого-цифровых измерительных устройств типа серийных измерителей отношений сигналов РВ8-7, логарифмических усилителей и т.п. аппаратуры или может быть полностью цифровым, выполненным, например, как показано на фиг.2. В этом случае вычислитель 18 состоит [5]: из входного блока 26 (АЦП, преобразователь напряжение-код, входной регистр), арифметико-логического устройства 27, устройства управления 28, запоминающего устройства (оперативного и постоянного) 29 и выходного блока 30 (преобразователь код-напряжение) выходной регистр, буферное запоминающее устройство.

Данный вычислитель можно реализовать на микросхемах широкого применения, например, на микропроцессорном комплекте интегральных схем серии К580 в типовом включении [6] или на другой элементной базе.

Литература
1.Barbour A.E. Scanning laser doppler anemometr system Proc. SPIE, 1980, N 227, p.85-90.

2. Патент Великобритании N 2075787, кл. G 01 S 17/58, H 01 S 3/13.

3. Патент Франции N 2556841, кл G 01 P 5/00, G 01 S 17/58.

4. С. М.Копылов, Б.Г.Лысой и др. Перестраиваемые лазеры на красителях и их применение. - М.: Радио и Связь, 1991.

5. В. Л. Григорьев, Г.А.Петров. Микро- и мини-ЭВМ: Л.: Энергоатомиздат, 1984.

6. Микропроцессорные комплекты интегральных схем. Состав и структура. Справочник. под ред. Васенкова В.П. - М.: Радио и связь, 1982.

Изобретение относится к области лазерных средств измерения и может быть использовано в экологии, метеорологии, физике атмосферы и других областях науки и техники. Цель изобретения - раширение функциональных возможностей измерителя за счет измерения концентрации веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения. Новым в изобретении является использование дополнительного лазеа, блока сведения и переключения лучей, акустооптического модулятора с блоком управления, второго светоделителя, блока измерения мощности и блока вычисления. 2 ил.

Лазерный доплеровский измеритель, содержащий лазер с линейно-поляризованным излучением, оптический гетеродинный преобразователь, включающий первый светоделитель, оптически сопряженный с каналом формирования зондирующего пучка, содержащим оптическую пластину, расположенную под углом Брюстера и четвертьволновую пластину, и каналом опорного пучка, содержащим отражатель и полуволновую пластину, а также установленные в канале пространственного совмещения опорного и зондирующего пучков смеситель, линзу и фотоприемное устройство, причем выход фотоприемного устройства подключен к входу блока обработки преобразованного доплеровского сигнала, и моностатический приемо-передающий антенный блок, расположенный по ходу зондирующего излучения после четвертьволновой пластины, отличающийся тем, что в него введены второй лазер с линейно-поляризованным излучением, ориентированным таким образом, чтобы плоскости поляризации первого и второго лазеров совпадали, расположенный перед первым светоделителем блок сведения и переключения лучей, акустооптический модулятор с блоком управления, расположенный в канале формирования опорного пучка перед смесителем, второй светоделитель, установленный между первым светоделителем и пластиной, расположенной под углом Брюстера, и ориентированный таким образом, что часть излучения зондирующего пучка направлена в блок измерения мощности излучения, и блок вычисления значений концентрации веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения, один вход которого подключен к выходу блока обработки доплеровского сигнала, второй - к выходу блока измерения мощности, а третий - к выходу блока сведения и переключения лучей.