ДЕТЕКТОР СКОРОСТИ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ Российский патент 2012 года по МПК G01P3/36 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к детектору скорости, предназначенному для измерения скорости объекта, пересекающего заданное поле видения.

Предпосылки создания изобретения

В предшествующем уровне техники в способе, известном как лазерное доплеровское измерение скорости, используют свойство когерентности лазерного света для фокусировки двух пересекающихся лазерных пучков с идентичной поляризацией в единственной опорной точке, тем самым создавая линейные и регулярно разнесенные интерференционные полосы в пределах заданного измерительного объема. Объект, пересекающий измерительный объем, отражает падающий свет от полос в обратную сторону к детектору через линзовую систему, и формируется сигнал, который можно интерпретировать для получения скорости объекта. Частота сигнала связана с разнесением полос и скоростью объекта. В случае точной геометрии лазерного пучка разнесение полос является исключительно регулярным, что позволяет осуществлять точные измерения скорости. Измерительный прибор с использованием этого способа обычно известен как измеритель скорости.

В случае двух лазерных пучков, выходящих из конечной фокусирующей линзы измерителя скорости с разнесением L, и при этом каждый имеет диаметр δ пучка, а Π представляет собой математическую постоянную π (3,14159…), число N полос, формируемых в измерительном объеме в точке пересечения двух пучков, задается формулой:

N=4/Π×L/δ.

Для лазерных пучков с длиной λ волны и фокусирующей линзы с фокусным расстоянием f диаметр D измерительного объема задается формулой:

D=4/Π×λf/δ.

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что сфокусированный лазерный пучок формирует перетяжку пучка в точке фокуса объема диаметром D и протяженностью.

В качестве примера и для иллюстрации последнего пояснения рассмотрим фокусирующую линзу с фокусным расстоянием 250 мм и пару лазерных пучков с разнесением пучков на 45 мм, при этом диаметр пучка составляет 2 мм, а длина волны λ=780 нм. Тем самым число N полос и диаметр D измерительного объема выражаются как:

N=4/Π×L/δ D=4/Π×λf/δ

N=1,273×45/2,0 D=1,273×780×10^-9×250/2,0

N=28 полос D=124 мкм

Это дает разнесение D/N=4,4 мкм полос в измерительном объеме.

Ориентация полос относительно заданной оси поляризации лазерных пучков является фиксированной, при этом такая ориентация является функцией интерференционного эффекта, который создает полосы.

Если два лазерных пучка не пересекаются точно в их фокусе (известном как “перетяжка пучка”), геометрическая регулярность полос будет нарушенной, и разнесение полос будет изменяться на всем протяжении длины измерительного объема. Поэтому объект, перемещающийся с постоянной скоростью, будет создавать различные частоты, когда он пересекает различные участки измерительного объема, что является нежелательным явлением. В приведенном выше примере длина измерительного объема будет меньше 1 мм, и точность изготовления линз и оптических компонентов, используемых в измерителе скорости, неизбежно должна соответствовать очень высокому стандарту (и следовательно, потребуются большие затраты) для достижения единообразия в разнесении полосок.

Применительно к приведенному выше примеру объект, пересекающий измерительный объем, будет создавать сигнал с постоянной Fout скорости, определяемой как:

Fout=N/D,

Fout=0,227×10⁶ Гц/м/с.

Поскольку измерение скорости может быть применено для измерения скорости частиц высокой энергии с очень небольшими размерами (иногда имеющими субмикронные диаметры), чувствительность используемых детекторов должны быть высокой, так как количество света, рассеиваемого частицей, когда она пересекает полосу, будет небольшим. Кроме того, для измерения высоких скоростей ширина полосы частот используемых детекторов должна быть большой. Поэтому произведение коэффициента усиления на ширину полосы частот пропускания детектора должно быть большим, что повышает стоимость. В предельном случае стоимость необходимого детектора может быть настолько высокой, что сделает использование измерения скорости невыгодным для некоторых применений.

Кроме того, в приведенном выше примере детектор с чувствительностью, достаточной для измерения (например) выходящего с большой скоростью дыма и газовой струи с остатками органических веществ с диаметром в диапазоне 1-3 мкм из ракетного двигателя, может иметь ширину полосы частот только 10 МГц. Поэтому максимальная скорость, которая может быть измерена, будет 10/0,227=44 м/с. Однако скорости истечения продуктов сгорания могут легко достигать нескольких сотен метров в секунду, а в случае очень мощных ракет могут встречаться скорости в несколько тысяч метров в секунду. Ограничение ширины полосы частот не позволит использовать измерительный прибор.

Поскольку направление прохождения объекта относительно измерителя скорости может изменяться или в некоторых случаях может не быть известно точно, то может оказаться необходимым осуществлять поворот всего измерителя скорости, чтобы гарантировать ориентацию полос под прямыми углами относительно пути объекта. Это не всегда возможно или в свою очередь может вызывать соударение лазерных пучков с другими (непредусмотренными) объектами в пределах поля видения измерительного прибора, что будет причиной нежелательного обратного рассеяния лазерного света в измерительный прибор.

Сущность изобретения

В соответствии с первым объектом настоящего изобретения предложен способ обнаружения скорости движущегося объекта, содержащий этапы, на которых пропускают пучок когерентного света через оптическую маску, имеющую картину из чередующихся непрозрачных и прозрачных областей, образованных на ней, в результате чего изображение чередующихся светлых и темных полос проецируется по направлению светового пучка; побуждают движущийся объект пересекать проецируемое изображение так, чтобы часть светового пучка отражалась от движущегося объекта в виде серии импульсов; обнаруживают отражаемые световые импульсы и частоту импульсов; и вычисляют скорость объекта как функцию частоты импульсов и известного разнесения полос изображения.

Световой пучок может быть сведен в начальный фокус, а оптическая маска расположена в точке или до точки начального фокуса. Дополнительно или в качестве альтернативы оптическая маска может быть подвижной по направлению оси светового пучка и/или вращательно регулируемой вокруг оси светового пучка. Оптическая маска может содержать картину из равномерно или неравномерно разнесенных линий.

Согласно второму объекту настоящего изобретения предложено устройство для обнаружения скорости движущегося объекта, содержащее источник когерентного света, выполненный с возможностью генерации пучка когерентного света; оптическую маску, имеющую картину из чередующихся непрозрачных и прозрачных областей, образованных на ней и расположенных так, что световой пучок, проходящий через маску, создает изображение из чередующихся светлых и темных полос, проецируемых по направлению светового пучка; и детектор света, выполненный с возможностью приема света, отражаемого от движущегося объекта, пересекающего проецируемое изображение, и обнаружения частоты импульсов отражаемого света, при этом частота импульсов является показывающей скорость движущегося объекта.

Первый линзовый узел может быть выполнен с возможностью фокусировки светового пучка на участок фокуса, при этом оптическая маска расположена между первым линзовым узлом и участком фокуса. Кроме того, оптическая маска может быть выполнена подвижной по направлению оси светового пучка и дополнительно или альтернативно может быть выполнена вращательно регулируемой вокруг оси светового пучка.

Детектор света может содержать датчик света и второй линзовый узел, имеющий объем охвата и выполненный с возможностью фокусировки света, отражаемого в пределах объема охвата, на датчик света. Кроме того, ориентация детектора света относительно светового пучка может быть регулируемой.

Оптическая маска может содержать картину из равномерно или неравномерно разнесенных линий.

Предпочтительно, чтобы источник когерентного света представлял собой лазерный генератор.

Краткое описание чертежей

Теперь только для наглядного примера детектор скорости согласно вариантам осуществления настоящего изобретения будет описан с обращением к сопровождающим чертежам, на которых:

фиг.1 - схематическое представление детектора скорости согласно варианту осуществления настоящего изобретения в случае, когда объект пересекает заданное поле видения;

фиг.2 - схематическая иллюстрация примера сигнала, формируемого объектом, пересекающим измерительный объем детектора скорости из фиг.1; и

фиг.3 - вид одной из ряда возможных картин, печатаемых на маску, предназначенной для использования с детектором скорости из фиг.1.

Описание изобретения

На фиг.1 схематически показан детектор скорости согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Детектор VD скорости имеет заданное поле FV зрения и содержит лазерный узел LA, формирующий сходящийся пучок с начальным диаметром BD, который пропускается через масочный узел МА, содержащий, например, картину из непрозрачных линий, осажденных на стеклянную подложку, показанных на фиг.3. Масочная картина модулирует лазерный пучок, который затем повторно фокусируется линзовым узлом LE снова в параллельный выходной пучок с диаметром OD пучка. Этот выходной пучок проецирует изображение маски на всем протяжении ее длины, при этом такое изображение представляет собой картину из светлых и темных полос. Объект, пересекающий выходной пучок, будет отражать свет от полос FS в виде серии импульсов, когда он пересекает каждую светлую полосу, при этом импульсы будут с частотой, определяемой скоростью объекта и картиной полос. Отраженный свет обнаруживается оптоэлектронным детекторным узлом DE, имеющим приемную линзу RL, и он может направляться и фокусироваться на путь объекта OBJ, пересекающего пучок, при этом заданное поле FV зрения создается пересечением выходного пучка и объемом охвата приемной линзы RL. Поэтому частота обнаруживаемых импульсов может быть использована для получения скорости движущегося объекта, то есть скорость определяется частотой, деленной на постоянную скорости.

Лазерный узел LA имеет фокусирующее средство LF, которое обеспечивает возможность лазерному пучку сходиться в точке BW, известной в качестве “перетяжки пучка”, минимальный диаметр которой определяется характеристикой лазерного света с данной длиной волны и известной геометрией пучка. Масочный узел МА установлен в держателе маски, что позволяет поворачивать маску относительно главной оси лазерного пучка и перемещать, чтобы она занимала любое положение между выходной апертурой лазера и перетяжкой пучка.

Перемещение держателя маски во вращении и регулировании положения позволяет изменять ориентацию полос и также изменять число полос, которые появляются в выходном пучке. На входной стороне линзовый узел LE сфокусирован на поверхность масочного узла, содержащего заданную картину, а на выходной стороне создает коллимированный выходной пучок с диаметром OD. Путем сочетания юстировок и выбора положений фокусирующего средства LF лазерного пучка выходной апертуры BD лазера, масочного узла МА и линзового узла LE заданная картина из светлых и темных “полос” FS с различными ориентациями, размерами и различным масштабированием может быть спроецирована в выходном пучке.

Объект OBJ, пересекающий поле FV зрения, отражает лазерный свет от полос FS в обратную сторону к приемной линзе RL. Физические характеристики поверхности объекта и главным образом его шероховатость частично определяют количество отражаемого модулированного света. Возможность легко изменять в измерительном приборе параметры полос путем перемещения и поворота маски МА позволяет осуществлять лучшее согласование с данным объектом и при этом максимизировать глубину модуляции отраженного сигнала.

Кроме того, приемный узел, содержащий линзу RL и детектор DE, может быть повернут вокруг фиксированной точки для совмещения главной оси линзы RL с точкой в лазерном пучке, через которую может проходить любой объект, благодаря чему максимально повышается величина отраженного сигнала от объекта к детектору DE. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут использоваться другие алгоритмы и схемы обнаружения. Например, согласно дальнейшим вариантам осуществления настоящего изобретения может быть применена схема с использованием детектора без необходимости в приемной линзе RL.

Настоящее изобретение позволяет формировать оптические полосы в измерительном объеме способом, который не основан на точном управлении точкой пересечения и фокусировкой лазерных пучков в заданное положение, и при желании также позволяет изменять ориентацию полос без поворота всего измерительного прибора. Кроме того, протяженность длины измерительного объема не ограничивается точкой пересечения двух лазерных пучков, благодаря чему обеспечивается возможность измерения объектов, проходящих по плоскости. Наконец, разнесение полос (и следовательно, частота прохождения полос) не определяется интерференционными эффектами и поэтому может быть выбрано из условия наилучшего соответствия рассматриваемому применению.

Эта возможность изменения параметров полос позволяет использовать способы измерения скорости в очень широком диапазоне применений при скоростях в диапазоне от крайне низких (мм/с) до весьма высоких (км/с) и при этом использовать показатели ширины полосы частот детектора, находящиеся в более оптимальном диапазоне, чем это возможно в случае известных систем лазерного доплеровского измерения скорости с использованием формирования интерференционных полос. Например, при диаметре 5 мм измерительного объема, имеющего 20 полос, постоянная скорости будет 4 кГц/м/с. Ширина полосы частот детектора 10 МГц позволит измерять скорости 2500 м/с по сравнению с 44 м/с в случае такого же детектора в известном измерителе скорости с пересекающимися пучками.

Когда масочный узел МА напечатан в виде картины регулируемых параллельных линий, показанных на фиг.3, промежутки между линиями могут считаться рядом “щелей”. Известно, что свет, проходящий через узкие щели, создает дифракционную картину с расширяющимся волновым фронтом, центрированным относительно щели, и с периодом, определяемым длиной волны света. Когда свет проходит через несколько параллельных щелей и эти щели следуют друг за другом (в относительном смысле), волновые фронты от всех щелей взаимодействуют друг с другом, складываясь и вычитаясь способом, который определяется разнесением щелей. Этот явление создает светлые и темные “полосы” поперек волновых фронтов. Однако поскольку оно как раз является эффектом, необходимым в изобретении, можно осуществлять юстировку оптических компонентов и лазерного пучка так, чтобы гарантировалось фактическое добавление любых дифракционных эффектов к маскирующему эффекту щели, и при этом два независимых набора полос эффективно накладывались, тем самым повышая эффективность способа. В качестве альтернативы можно осуществлять юстировку оптических компонентов и лазерного пучка, чтобы исключать или значительно ослаблять любые дифракционные эффекты, что делает возможным формирование проецируемой картины только маской. Использование лазерного света на строго определенной длине волны и с высокой степенью пространственной и временной когерентности гарантирует, что качество формируемой картины полос будет очень высоким, с высокой геометрической регулярностью и большим световым контрастом.

Этот способ формирования полос в измерительном объеме может быть реализован в ряде конфигураций, например, с расходящимися и сходящимися лазерными пучками, в зависимости от диаметра лазерного пучка и диаметра, необходимого для конечного измерительного объема, или с параллельным лазерным пучком, и в любой конфигурации линз с формированием необходимых полос на заданном рабочем расстоянии от измерительного прибора. Кроме того, в зависимости от желаемого применения и выполняемых измерений масочный узел МА может быть напечатан с использованием других картин, например, в виде ряда концентрических окружностей, которые образуют светлые и темные “полосы”.

Изобретение предназначено для измерения скорости объекта, пересекающего заданное поле видения. Способ обнаружения скорости движущегося объекта включает пропускание пучка когерентного света через оптическую маску, имеющую картину из чередующихся непрозрачных и прозрачных областей, образованных на ней, в результате чего изображение чередующихся светлых и темных полос проецируется по направлению светового пучка, побуждение движущегося объекта пересекать проецируемое изображение так, чтобы часть светового пучка отражалась от движущегося объекта в виде серии импульсов, обнаружение отражаемых световых импульсов и частоты импульсов и вычисление скорости объекта как функции частоты импульсов и известного разнесения полос изображения. Изобретение позволяет расширить диапазон измеряемых скоростей. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обнаружения скорости движущегося объекта, содержащий этапы, на которых:
пропускают пучок сходящегося или расходящегося когерентного света через оптическую маску, имеющую картину из чередующихся непрозрачных и прозрачных областей, образованных на ней, в результате чего изображение чередующихся светлых и темных полос проецируется по направлению протяженности светового пучка, посредством чего маска располагается в луче когерентного света так, чтобы устранять, уменьшать или включать любые дифракционные эффекты в результирующее изображение;
побуждают движущийся объект пересекать проецируемое изображение так, чтобы часть светового пучка отражалась от движущегося объекта в виде серии импульсов;
обнаруживают отражаемые световые импульсы и частоту импульсов
и вычисляют скорость объекта как функцию частоты импульсов и известного разнесения полос изображения.

2. Способ по п.1, в котором световой пучок сводят в начальный фокус и оптическую маску располагают в точке или до точки начального фокуса.

3. Способ по п.2, в котором оптическая маска является подвижной по направлению оси светового пучка.

4. Способ по п.1, в котором оптическая маска является вращательно регулируемой вокруг оси светового пучка.

5. Способ по п.1, в котором оптическая маска содержит картину из равномерно разнесенных линий.

6. Способ по п.1, в котором оптическая маска содержит картину из неравномерно разнесенных линий.

7. Устройство для обнаружения скорости движущегося объекта, содержащее:
источник когерентного света, выполненный с возможностью генерации пучка сходящегося или расходящегося когерентного света;
оптическую маску, имеющую картину из чередующихся непрозрачных и прозрачных областей, образованных на ней, и расположенную в луче когерентного света так, чтобы устранять, уменьшать или включать любые дифракционные эффекты в результирующее изображение, и расположенную так, что световой пучок, проходящий через маску, создает изображение из чередующихся светлых и темных полос, проецируемых по направлению протяженности светового пучка; и
детектор света, выполненный с возможностью приема света, отражаемого от движущегося объекта, пересекающего проецируемое изображение, и обнаружения частоты импульсов отражаемого света, при этом частота импульсов является показывающей скорость движущегося объекта.

8. Устройство по п.7, дополнительно содержащее первый линзовый узел, выполненный с возможностью фокусировки светового пучка на участок фокуса, при этом оптическая маска расположена между первым линзовым узлом и участком фокуса.

9. Устройство по п.8, в котором оптическая маска выполнена подвижной по направлению оси светового пучка.

10. Устройство по п.8, в котором оптическая маска выполнена вращательно регулируемой вокруг оси светового пучка.

11. Устройство по п.7, в котором детектор света содержит датчик света и второй линзовый узел, имеющий объем охвата и выполненный с возможностью фокусировки света, отражаемого в пределах объема охвата, на датчик света.

12. Устройство по п.7, в котором ориентация детектора света относительно светового пучка является регулируемой.

13. Устройство по п.7, в котором оптическая маска содержит картину из равномерно разнесенных линий.

14. Устройство по п.7, в котором оптическая маска содержит картину из неравномерно разнесенных линий.

15. Устройство по п.7, в котором источник когерентного света содержит лазерный генератор.