ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЛАЗЕРНОГО ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ Российский патент 2004 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к области лазерных средств измерения и преимущественно может найти применение в лазерных системах для определения параметров полета летательного аппарата (ЛА), лазерных системах, используемых в метеорологии, физике атмосферы, экологии и других областях науки и техники, в частности, когда необходимо измерять скорость ветра, сдвига ветра, аэрозольный и газовый составы и прочее.

Известна оптическая система лазерного доплеровского измерителя скорости (ОС ЛДИС), см. Bilbro I.W. Atmospheric laser Doppler velocimetry Optic Engineering, l980, v.19. №4, p.533-542 [1].

В этой системе луч лазера частично пропускается светоделительной пластиной, создавая луч гетеродинного канала. Основной луч, отразившись от светоделительной пластины, проходит через плоскопараллельную пластину, расположенную к оси луча под углом Брюстера (пластина Брюстера), поворотное зеркало, четвертьволновую пластину и достигает антенны, которая фокусирует луч на заданное расстояние или в дальнюю зону. Излучение, рассеянное на аэрозолях, движущихся в фокальной или дальней зоне антенны измерителя, принимается апертурой антенной системы (АС) и через четвертьволновую пластину, поворотное зеркало направляется к пластине Брюстера, от которой в силу иного направления поляризации (ортогонального поляризации излучения, работающего на передачу) отражается в направлении второй светоделительной пластины, где происходит совмещение оптических осей луча гетеродинного канала и луча, отраженного от пластины Брюстера, с последующим фокусированием смешанного излучения линзой на площадку фотодетектора. Недостаток этой системы заключается в отсутствии фильтрации излучения, рассеянного в фокальной зоне АС, от излучения, рассеянного до и после фокальной зоны, а также сложности конструкции.

За прототип выбрана ОС ЛДИС [2] (см. фиг.1), содержащая моностатическую антенну, пластину Брюстера, четвертьволновую и полуволновую пластины, линзу фотодетектора, светоделительные пластины, поворотные зеркала, аксионный кольцеобразователь, расположенный между светоделительной пластиной и пластиной Брюстера и представляющий собой пластину со скошенными под углом 45° торцевыми гранями и с 45-градусной выборкой.

Недостаток ОС ЛДИС-аналога заключается в остутствии фильтрации излучения, рассеянного из области оптической оси антенны, в ОС ЛДИС (прототип) устранен вводом аксионного кольцеобразователя, но сложность конструкций и той и другой ОС ЛДИС осталась.

Предлагаемая оптическая система упрощенной конструкции представлена на фиг.1, где 1 - лазер, 2 - коллиматор, 3 - светоделительная пластина, 4 - аксионный кольцеобразователь, 5 - моностатическая антенная система, 6 - линза фотодетектора, 7 - фотодетектор.

Работа ОС ЛДИС осуществляется следующим образом. Луч лазера (1) круглого сечения проходит коллиматор (2) и расширенный им до диаметра центрального конуса кольцеобразователя (4), отражаяcь от поверхности "а" светоделительной пластины (3), установленной под углом 45° к оптической оси коллиматора, попадает на центральный конус кольцеобразователя и преобразуется им в кольцевой пучок.

Кольцевой пучок, пройдя антенную систему (АС) (5), которая находится на оптической оси кольцеобразователя, направляется в заданную зону измерения.

Лазерное излучение, рассеянное в фокальной области (зоне измерения) на аэрозолях или других частицах, находящихся в воздухе, или рассеянное от твердой или жидкой поверхности еще чего-либо, собирается той частью антенной системы, которая соответствует внутреннему диаметру кольцевого пучка. Пройдя через антенную систему и отразившись теперь уже от поверхности "в" светоделительной пластины, расеянное излучение собирается линзой фотоприемника (6) и фокусируется ею на чувствительной площадке фотодетектора (7). При этом оптическая ось линзы фотодетектора перпендикулярна оптической оси антенной системы и лежит в одной плоскости с оптическими осями антенной системы, кольцеобразователя и коллиматора.

Часть лазерного излучения после коллиматора, пройдя светоделительную пластину, попадает на линзу фотодетектора и далее на чувствительную площадку фотодетектора, формирует гетеродинное излучение. При этом коэффициент пропускания поверхностей "а" и "в" светоделительной пластины выбирается таким образом, чтобы мощность гетеродинного излучения была достаточной для осуществления процесса гетеродирования. Возможность прямого прохождения части лазерного излучения от коллиматора к линзе фотодетектора, исключение затенения светоделительной пластиной кольцеобразного пучка обеспечиваются соответствующими размерами светоделительной пластины, а также технологией напыления отражающих покрытий ее поверхностей. В настоящее время разработан и исследован опытный образец на предлагаемое устройство ОС ЛДИС. Проведенное исследование подтвердило значительное уменьшение общих потерь (до 4-5%). Упрощается процесс юстировки системы, а количество дорогостоящих оптических элементов по сравнению с известными ОС ЛДИС сокращается почти вдвое.

Разработана и подгтовлена конструкторская документация для промышленного выпуска предлагаемой оптической системы в составе измерительного устройства.

Библиографические данные:

1. Bilbro I.W. Atmospheric laser doppler velocimetry Optic Engineering. - 1980, v.19, №4, р.533-542.

2. A.C. №1760457 Al, G 01 P 3/36, 5/00 (заявка №4.937.104/10 от 19.02.91 г.), опубл. 0709.92, бюл. №33.

Изобретение относится к области лазерных средств измерения и может найти широкое применение в разных областях науки и техники: метеорологии, физике атмосферы, экологии, при определении параметров полета летательных аппаратов, в частности при необходимости измерения скорости газовых потоков, определения вектора скорости ветра, сдвига ветра и прочее. Система содержит лазер, моностатическую антенну, линзу фотодетектора, сам фотодетектор, аксионный кольцеобразователь и светоделительную пластину, при этом оптическая ось линзы фотодетектора располагается перпендикулярно оптической оси моностатической антенны и лежит в одной плоскости с оптическими осями антенной системы, кольцеобразователя и коллиматора. Расположение светоделительной пластины между кольцеобразователем и антенной системой под углом 45° к их оптической оси и оптической оси коллиматора, а также соответствующие расчетным размеры и слои отражающих поверхностей светоделительной пластины обеспечивают формирование гетеродинного излучения достаточной мощности. Достигается значительное уменьшение общих потерь (до 4-5%) гетеродинного излучения и оптической системы в целом по сравнению с известными оптическими системами. Техническим результатом является упрощение конструкции. 1 ил.

Оптическая система лазерного доплеровского измерителя скорости, содержащая лазер, моностатическую антенну, линзу фотодетектора, аксионный кольцеобразователь и светоделительную пластину, отличающуюся тем, что система содержит коллиматор, расположенный между лазером и светоделительной пластиной, которая, в свою очередь, размещена между кольцеобразователем и антенной системой, находящихся на одной оптической оси, при этом оптическая ось линзы фотодетектора совмещена с оптической осью коллиматора и пересекается в центре светоделительной пластины с оптической осью антенной системы и кольцеобразователя, причем все оптические оси расположены в одной плоскости.