ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ Российский патент 2004 года по МПК G01P3/36 G01S17/00 

Предлагаемое изобретение относится к области лазерных средств измерения и может быть использовано в экологии, метрологии, физике атмосферы и других областях науки и техники. Цель изобретения - повышение вероятности обнаружения и снижение инструментальной погрешности измерения концентрации веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения. Новым в изобретении является использование заслонки в канале первого лазера, блока деления пучка второго лазера, блока сведения опорных пучков, второго акустооптического модулятора с блоком управления, второй полуволновой пластины, двух оптических телескопов, второго параллельного канала блока обработки преобразованного доплеровского сигнала.

Предлагаемое изобретение относится к области лазерных доплеровских средств измерения и может быть использовано в экологии, метрологии, 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.

Указанный измеритель работает по отражению от естественных аэрозолей, содержащихся в воздухе, обладает большой дальностью действия (до 300-1000 м) за счет использования оптического гомодинного преобразователя (ОГП) с поляризационной развязкой передаваемого и принимаемого излучений, однако это устройство не измеряет концентрации газообразных веществ в атмосфере.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа [2], является лазерный доплеровский измеритель скорости и концентрации газообразных веществ, содержащий два лазера, генерирующих линейно-поляризованное излучение, блок сведения и переключения лучей сигнальных каналов, ОГП, моностатический приемопередающий антенный блок, блок обработки преобразованного доплеровского сигнала и блок вычисления.

ОГП выполнен по схеме интерферометра Маха-Цендера и включает делитель исходного плоскополяризованного излучения в два канала: канал формирования опорного пучка, в котором последовательно установлены поворотное зеркало, двулучепреломляющая полуволновая пластина, поворачивающая плоскость поляризации излучения на 90 градусов, и акустооптический модулятор с блоком управления, и сигнальный канал, в котором установлен светоделитель, направляющий часть излучения в блок измерения мощности, поляризационная развязка, состоящая из пластины, расположенной под углом Брюстера, и четвертьволновой пластины. В состав ОГП входят также оптический смеситель, фокусирующая линза и фотоприемное устройство.

Рассмотренное выше устройство позволяет определять скорость и знак воздушного потока. В устройстве-прототипе информацию о концентрации веществ, поглощающих лазерное излучение, получают за счет введения дополнительного сигнального канала и блока переключения каналов, а концентрация определяется по отношению мощностей принимаемых сигналов [3] по каждому из каналов.

Принцип измерения концентрации веществ заключается в одновременном 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.

Качественно определение величины средней концентрации примесей газа можно выразить следующей формулой:

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

Входящие в формулу мощности излучений Р1 и Р2, поступающие на приемник, находятся из выражений:

где Р01 - исходная мощность лазерного излучения на длине волны λ1;

Р02 - исходная мощность лазерного излучения на длине волны λ2;

- средняя концентрация исследуемого газа;

α - коэффициент поглощения (рассеяния), обусловленный всеми компонентами атмосферы, кроме исследуемого газа;

ρ - коэффициент диффузного рассеяния объекта;

А - площадь апертуры приемной антенны;

L - длина трассы;

γ - коэффициент, учитывающий потери в приемопередающем тракте.

Причем длины волн λ1 и λ2 выбраны настолько близкими, что при расчетах достаточно учитывать только разницу сечений поглощения исследуемого газа σ1 и σ2.

Как видно из соотношения (1), измеряемая концентрация веществ зависит от отношения мощностей принятых сигналов двух каналов. Эти соотношения справедливы при постоянстве коэффициента отражения частиц атмосферы.

Однако на величину мощности принимаемых сигналов оказывают влияние различные факторы, к которым относятся: изменение числа частиц и их ориентация в измерительном объеме, случайное изменение показателя преломления атмосферы за счет турбулентности, что приводит к изменению коэффициента отражения атмосферы. Эти изменения относятся к быстро протекающим процессам, в результате чего корреляция сигналов уменьшается значительно (до 0,1) за доли секунды (0,1 с), но небольшие корреляции остаются длительное время (несколько минут), что приводит к тому, что при накоплении сигналов даже за время нескольких минут погрешность измерения принятого сигнала будет не менее 20%. Копить информацию такое время недопустимо, т.к. при наличии ветра в атмосфере объект будет снесен.

Таким образом, как показано теоретически [5] и экспериментально [6], неодновременность измерений приводит не только к дополнительной погрешности измерения концентрации веществ, но и при больших временных интервалах между измерениями по каждому из каналов к недостоверности обнаружения.

Вклад в погрешность определения концентрации вещества вносят случайный характер атмосферного канала и аэрозольной мишени. Качественно это можно выразить соотношением:

где δ1 и δ2 - составляющие дисперсий принятых сигналов по обоим каналам;

К - взаимная корреляционная функция сигналов.

К=К(τ) - функция времени τ=t1-t2, где t1 и t2 - моменты измерений по каналам 1 и 2 соответственно.

К(τ) стремится к 1 при τ→0 и достигает значения 0,999 при τ<0,000001 с. Из формулы (4) следует, что при идентичности каналов: δ²=(δ1-δ2)² ≈ 0 за время измерения меньше 0,000001 с [3], что наглядно свидетельствует в пользу одновременности измерения по двум каналам.

Очевидно, что при любом типе блока переключателя каналов одновременные измерения невозможны.

Целью предлагаемого изобретения является повышение вероятности обнаружения и снижение инструментальной погрешности измерения концентрации веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения.

Эта цель достигается тем, что в лазерный доплеровский измеритель, в канал второго лазера, дополнительно вводится светоделитель, расположенный между лазером и поворотным зеркалом, делящий пучок таким образом, чтобы плоскости поляризации излучения первого и второго опорных каналов, а также плоскости поляризации излучения первого и второго зондирующих каналов совпадали, акустооптический модулятор (АОМ) с блоком управления, расположенный во втором канале формирования опорного пучка перед смесителем, полуволновая пластина, установленная между АОМ и блоком сведения опорных пучков таким образом, чтобы плоскость поляризации второго опорного пучка совпадала с плоскостью поляризации первого опорного пучка после полуволновой пластины, вводится смеситель (блок сведения) опорных пучков, телескоп в совмещенном опорном канале между блоком сведения опорных пучков и блоком сведения опорных и зондирующих пучков, формирующий волновые фронты опорных пучков, заслонка в зондирующем канале первого лазера, установленная перед блоком сведения зондирующих пучков, телескоп в сигнальном канале между блоком сведения зондирующих пучков и поляризационной развязкой (пластиной, расположенной под углом Брюстера), формирующий волновые фронты зондирующих пучков, согласуя их с волновыми фронтами опорных пучков, второй параллельный канал блока обработки преобразованного доплеровского сигнала, вход которого подключен к выходу фотоприемного устройства (ФПУ), а выход ко второму входу блока вычисления.

Сопоставительный анализ заявленного 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: блок деления излучения второго лазера, второй АОМ с блоком управления, полуволновая пластина, блок сведения опорных лучей, телескопы, заслонка, второй канал блока обработки - сами по себе не являются принципиально новыми. Однако их использование в заявляемом устройстве в указанной связи с другими блоками и оптическими элементами позволяет повысить вероятность обнаружения и уменьшить инструментальную погрешность измерения концентрации веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения. 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 первого лазера установлены светоделитель 3 и заслонка 5, на выходе второго лазера установлены светоделитель 4 и отражатель 6, а за ними установлен блок сведения зондирующих пучков 7. Светоделители 3 и 4 связаны с каналами формирования опорных и зондирующих пучков. За блоком сведения зондирующих пучков 7 по ходу распространения лазерного излучения располагается телескоп 8, за ним располагается светоделитель 9, установленная под углом Брюстера пластина 10, четвертьволновая пластина 12 и моностатический приемопередающий антенный блок 13, причем по ходу распространения отраженного от светоделителя 9 излучения расположен блок измерения мощности излучения 11, выход которого соединен с третьим входом блока вычисления 28.

Кроме того, по ходу распространения отраженного от светоделителя 3 излучения установлены АОМ 14 с блоком управления 15, полуволновая пластина 18, отражатель 20. По ходу распространения отраженного от светоделителя 4 излучения установлены второй АОМ 16 с блоком управления 17, вторая полуволновая пластина 19, блок сведения опорных пучков 21. Далее по ходу распространения совмещенных опорных пучков установлены телескоп 22, смеситель опорных и отраженных зондирующих пучков 23, фокусирующая линза 24, фотоприемное устройство (ФПУ) 25, выход которого соединен с двумя входами параллельных каналов блока обработки преобразованного доплеровского сигнала 26 и 27. При этом выходы параллельных каналов блока обработки доплеровского сигнала 26 и 27 соединены с первым и вторым входами блока вычислений значений концентраций веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения 28.

ЛДИ работает следующим образом.

Пучок излучения первого лазера 1 с частотой ν1 разбивается светоделителем 3 на два - зондирующий и опорный. Зондирующий пучок, пройдя заслонку 5, узел сведения пучков 7, телескоп 8, попадает на светоделитель 9, который отбивает часть излучения на блок измерения мощности 11, основная часть излучения после светоделителя 9 попадает на поляризационную развязку-пластину, установленную под углом Брюстера 10, четвертьволновую пластину 12, направляется моностатическим приемопередающим антенным блоком 13 в исследуемую область пространства. Отражаясь от частиц, находящихся в измерительном объеме, удаленном на расстояние L=Fac, где Fac - длина фокуса антенной системы, и имеющих ненулевую скорость относительно ЛДИ, сигнал приобретает доплеровский сдвиг частоты Δνg1, принимается антенной системой 13 и через четвертьволновую пластину 12 попадает на поляризационную развязку 10, отражается от нее и переносится на смеситель-блок сведения опорных и отраженных зондирующих пучков 23. Опорный пучок, отразившись от светоделителя 3, проходит акустооптический модулятор 14, где приобретает фиксированный частотный сдвиг, и его частота становится равной ν1+f1. Далее опорный пучок от первого лазера проходит полуволновую пластину 18, отражатель 20 и смеситель 21.

Пучок излучения второго лазера 2 с частотой ν2 разбивается светоделителем 4 на два - зондирующий и опорный. Зондирующий пучок, отразившись от отражателя 6 и блока сведения зондирующих пучков 7, повторяет путь зондирующего пучка лазера 1. При отражении от частиц, находящихся в измерительном объеме, сигнал приобретает доплеровский сдвиг частоты Δνg2. Опорный пучок от второго лазера, отразившись от светоделителя 4, проходит акустооптический модулятор 16, где приобретает фиксированный частотный сдвиг, и его частота становится равной ν2+f2. После АОМ 16 опорный пучок проходит полуволновую пластину 19 и отражается от смесителя 21. После АОМ 16 опорный пучок проходит полуволновую пластину 19 и отражается от смесителя 21. Два опорных пучка пространственно совмещаются на смесителе 21, проходят через телескоп 22 и смеситель 23. Два отраженных зондирующих и два опорных пучка пространственно совмещаются на смесителе 23 и образуют на чувствительной площадке фотодетектора 25 биения интенсивности с доплеровскими частотами f1-Δνg1 и f2-Δνg2, при этом Δνg1≈Δνg2≈Δνg, т.к. λ1≈λ2. Это положение иллюстрирует фиг.3.

Эти биения преобразуются в ФПУ 25, и электрические сигналы с теми же частотами f1-Δνg1 и f2-Δνg2 и амплитудой V1 и V2 одновременно поступают в два параллельных канала блока обработки преобразованного доплеровского сигнала 26 и 27.

В режиме измерения мощности зондирующего излучения блоком измерения мощности 11 заслонка 5 устанавливается в двух положениях: в первом положении при перекрытом зондирующем канале первого лазера на выходе блока измерения мощности 11 формируется сигнал с амплитудой V02, во втором (основном) режиме на выходе блока измерения мощности 11 формируется сигнал с амплитудой V01+V02, которые подаются на третий вход блока вычислений 28.

Во всех известных устройствах, в том числе и в устройстве-аналоге, используется только лишь информация, содержащаяся в частоте доплеровского сигнала, которая является исходной для определения относительной скорости движения лазерного измерителя, точнее, его носителя и объекта, являющегося источником рассеянного излучения (сигнала).

В устройстве-прототипе была сделана попытка использовать информацию об амплитудах двух доплеровских сигналов для измерения концентрации веществ, поглощающих лазерное излучение, расположенных вдоль трасы распространения лазерного луча. Однако поочередность измерения на длине волны каждого из лазеров и поочередность обработки информации по одному каналу блока обработки преобразованного доплеровского сигнала не дала возможности получить реальную картину концентрации газа в атмосфере.

В представленном измерителе этот недостаток устранен путем изменения конфигурации оптической схема ОГП и введения дополнительного параллельного канала в блок обработки доплеровского сигнала. В блоке обработки преобразование электрического сигнала с выхода ФПУ идет одновременно по двум параллельным каналам, разнесенным по частоте на величину Δf=f2-f1, соответствующую разности частот управляющих сигналов акустооптических модуляторов. Сигналы V1 и V2 с выходов параллельных каналов блока обработки доплеровского сигнала 26 и 27 поступают на первый и второй входы блока вычисления 28. На третий вход блока вычисления поступают сигналы с амплитудами V02 и V01+V02 с выхода блока измерения мощности 11.

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 СО2-лазеры типа ЛГН-901, ЛГН-903.

Заслонка зондирующего излучения лазера 1 может представлять из себя экран, непрозрачный для ИК-излучения с отверстием, диаметр которого в 1,5 раза больше диаметра пучка излучения. При обычном режиме работы зондирующее излучение лазера 1 проходит через отверстие в экране, в режиме измерения мощности зондирующего излучения лазера 2, экран перемещается и перекрывает зондирующее излучение лазера 1. Измерение мощностей лазеров производится перед началом цикла измерений концентрации веществ вдоль трассы распространения лазерного луча.

При использовании в ЛДИ СО2-лазеров, излучение которых лежит в ИК-диапазоне, светоделители, линзы могут быть выполнены из германия или селенида цинка.

Телескопы, установленные в зондирующем и опорном каналах, собраны по оптической схеме Кеплера.

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.

Блок обработки преобразованного доплеровского сигнала имеет два параллельных канала, с выходов которых можно одновременно снимать информацию как о частоте (доплеровском сдвиге), так и об амплитуде доплеровского сигнала. Это позволяет одновременно проводить обработку двух доплеровских сигналов, разнесенных по частоте на величину Δf=f2-f1 (разности частот управляющих сигналов акустооптических модуляторов), для чего управляющие сигналы, подающиеся на акустооптические модуляторы, должны быть стабилизированы по частоте. Второй параллельный канал блока обработки преобразованного доплеровского сигнала 27 может состоять из следующих узлов: полосового фильтра 31 и амплитудного детектора 32.

Сигналы с выходов параллельных каналов блока обработки преобразованного доплеровского сигнала 26 и 27 подаются на первый и второй входы блоки вычислителя 28, на третий вход которого подается сигнал с блока измерителя мощности лазерного излучения 11.

Литература

1. Barbour A.E. Scanning laser doppler anemometr system Proc. SPIE, 1980, №227, р.85-90.

2. Патент России №21006658, (19) RU (11) 2106658 (13) С1 (51) 6 G 01 S 17/00.

3. Appl. Opt. 1983, v.22, N17, р.2690-2698. Мф. Пер. 85/24567.

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

5. Appl. Opt. 1985, v.24, N21, р.3472-3475.

6. Appl. Opt. 1985, v.24, N21, р.3487-3496.

Лазерный доплеровский измеритель содержит лазер (1), светоделитель (3), канал формирования зондирующего излучения, который включает заслонку (5), блок сведения зондирующих пучков (7), состоящий из телескопа (8), второго светоделителя (9), измерителя мощности лазерного излучения (11), пластины, расположенной под углом Брюстера (10), четвертьволновой пластины (12), моностатического приемопередающего антенного блока (13), канал формирования опорного пучка включает акустооптический модулятор (14) с блоком управления (15), полуволновую пластину (18), отражатель (20) и блок сведения опорных пучков (21); второй лазер (2), светоделитель (4), а также два канала: канал формирования зондирующего пучка и канал формирования опорного пучка. Канал формирования зондирующего пучка состоит из отражателя (6) и блока сведения зондирующих пучков (7), а канал формирования опорного пучка состоит из акустооптического модулятора (16) с блоком управления (17), второй полуволновой пластины (19), блока сведения опорных пучков (21), телескопа (22), блока сведения опорных и отраженных зондирующих пучков (23), фокусирующей линзы (24), фотоприемного устройства (25), выход которого соединен с двумя входами параллельных каналов блока обработки преобразованного доплеровского сигнала (26), (27), блока вычислений (28). Технический результат - повышение вероятности обнаружения и снижение инструментальной погрешности измерения концентрации веществ вдоль трассы распространения лазерного излучения. 3 ил.

Лазерный доплеровский измеритель, содержащий два лазера с линейно поляризованным излучением, на выходе первого лазера установлен первый светоделитель, направляющий излучение первого лазера в два канала: канал формирования зондирующего пучка и канал формирования опорного пучка, канал формирования зондирующего пучка включает заслонку, блок сведения зондирующих пучков, телескоп, второй светоделитель, который направляет часть излучения на измеритель мощности лазерного излучения, а основную часть излучения направляет на пластину, расположенную под углом Брюстера, и на четвертьволновую пластину и далее моностатическим приемопередающим антенным блоком в исследуемую область пространства, а канал формирования опорного пучка включает первый акустооптический модулятор с блоком управления, полуволновую пластину, отражатель и блок сведения опорных пучков; на выходе второго лазера установлен второй светоделитель, направляющий излучение второго лазера также в два канала: канал формирования зондирующего пучка и канал формирования опорного пучка, в канале формирования зондирующего пучка пучок, отразившись от отражателя и блока сведения зондирующих пучков, повторяет путь зондирующего пучка лазера, а канал формирования опорного пучка включает второй акустооптический модулятор с блоком управления, частота управляющего напряжения которого разнесена с частотой управляющего напряжения первого акустооптического модулятора на величину Δf, вторую полуволновую пластину, блок сведения опорных пучков, далее по ходу распространения совмещенных опорных пучков установлен телескоп, блок сведения опорных и отраженных зондирующих пучков, фокусирующая линза, фотоприемное устройство, выход которого соединен с двумя входами параллельных каналов блока обработки преобразованного доплеровского сигнала, состоящих из полосового фильтра и амплитудного детектора, при этом центральная частота одного полосового фильтра отличается от центральной частоты другого полосового фильтра на Δf, и выходы блоков обработки преобразованного доплеровского сигнала соединены с входами блока вычислений, причем выход измерителя мощности лазерного излучения также соединен с входом блока вычислений.