УСТРОЙСТВО ДОПЛЕРОВСКОГО ИЗМЕРИТЕЛЯ СКОРОСТИ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРА С ВОЛОКОННЫМ ВВОДОМ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к области исследований быстропротекающих процессов с применением эффекта Доплера с помощью лазерной гетеродинной диагностики и может быть использовано для непрерывкой регистрации скорости движущегося объекта/объектов.

Известно устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, представленное в материалах заявки на изобретение US 2008/0094608 (публ. 24.04.2008). Устройство может быть выполнено многомодульным. Один измерительный модуль устройства содержит источник лазерного излучения, четыре оптических измерительных канала, каждый из которых включает циркулятор, сумматор, делитель, рефлектор, датчик приема-передачи излучения (коллиматор) и регистрирующую аппаратуру - фотодетектор, при этом сигналы с четырех каналов поступают па один осциллограф. Излучение по оптоволоконному каналу передается от лазера через делитель и циркулятор к датчику Собранный с движущейся поверхности свет с доплеровским сдвигом передается через циркулятор по оптоволокну к детектору. В качестве опорного излучения используется отражение излучения от рефлектора. Далее, опорное и отраженное и пучения складываются с помощью сумматора. Затем посредством интерференции отраженного и опорного лучей, идущих в одном направлении в одном волокне, реализуется амплитудная модуляция результирующего сигнала по изменению фазы, регистрируемая фотодетектором.

Недостатком устройства является то. что при использовании частотного уплотнения, измерительных каналов существенно снижается соотношение сигнал/шум. Следствием может являться значительное снижение качества регистрируемых данных, а также их частичная потеря.

В качестве ближайшего аналога заявляемому устройству выбран доплеровский измеритель скорости движущейся поверхности на основе интерферометра с волоконным вводом излучения (патент RU 2657135. публик. 0.8.06.2018). Доплеровский измеритель скорости по патенту RU 2657135 включает измерительный модуль с источниками лазерного излучения, образующими 8 пар источников опорного и зондирующего сигналов для формирования 64 измерительных каналов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте и в состав которых также входят оптические датчики приема-передачи излучения, преобразователи оптического сигнала в электрический, усилители, волоконные линии задержки, высокоскоростные волоконные переключатели, циркуляторы, сумматоры, мультиплексоры, делители и регистрирующая аппаратура. Формирование источников зондирующих и опорных сигналов происходит при пропуске излучения лазерных источников через делители. Оптическая система доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности, предназначенная для трансляции, распределения и рекомбинации лазерного излучения, включает установленный в непосредственной близости к исследуемому объекту блок с волоконными циркуляторами и расположенное отдельно от этого блока устройство распределения лазерного излучения, представляющее собой отдельный блок, в который входят элементы пассивной оптики (ПО) - делитель, мультиплексоры и сумматоры, последние связаны с источниками лазерного излучения через высокоскоростные волоконные переключатели, которые расположены в своем отдельном блоке. Выходы волоконных циркуляторов соединены со входами мультиплексоров, обеспечивающих уплотнение сигналов с циркуляторов.

Недостатком ближайшего аналога является то, что получаемые с помощью него данные измерительных каналов, накладываются на опорные линии и друг на друга, не позволяя получить информацию о скорости исследуемого объекта с требуемой точностью. Также данное устройство отличается относительно низкой мощностью опорного излучения (0,25 мВт) и соответственно не достаточно высокими значениями характеристики сигнал шум иолу чаемых спектрограмм.

Техническим результатом заявляемою изобретения является повышение качества и точности получаемых данных путем полного отсутствия наложения данных на опорные линии и друг на друга, отсутствия частотного уплотнения и повышения мощности опорного излучения.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве доплеровского измерителя скорости движущейся поверхности на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, включающем измерительный модуль с источниками лазерного излучения, образующими пары источников опорного и зондирующего сигналов для формирования не менее шестнадцати измерительных канатов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте и в состав которых также входят оптические датчики приема-передачи излучения, преобразователи оптического сигнала в электрический, усилители, волоконные линии задержки, высокоскоростные волоконные переключатели, циркуляторы, сумма юры. мультиплексоры, делители и регистрирующая аппаратура, новым является то, что в качестве источников зондирующего и опорного излучения используют отдельные источники лазерного излучения, при этом источники зондирующего излучения соединены через делители с блоком циркуляторов и далее через сумматоры - с четырьмя усилителями, выход одного из которых через оптический затвор соединен с входом высокоскоростного волоконного переключателя, с ним же через волоконную линию задержки соединен выход другого усилителя, выход третьего усилителя соединен через волоконную линию задержки большей длины и другой оптический затвор с входом другого высокоскоростного волоконного переключателя, с которым также соединен через волоконную линию задержки еще большей длины выход четвертого усилителя, причем выходы высокоскоростных волоконных переключателей соединены с входами дополнительного высокоскоростного волоконного переключателя, который соединен с оптическим мультиплексором, с которым также соединены через другие сумматоры источники опорного излучения.

Полное отсутствие наложения данных на опорные линии и друг на друга обеспечивается за счет уплотнения измерительных каналов по времени при помощи волоконных бухт, формирования опорного и зондирующего излучений разными лазерными источниками и разделения их по разным оптическим схемам.

Отсутствие частотного уплотнения и присутствие временного обеспечивается за счет пропускания оптического сигнала через систему затворов, переключателей и волоконных линий задержки, а также разделения с помощью оптического мультиплексора (DWDM) в зависимости от длины волны.

Повышение мощности опорного излучения обеспечивается за счет применения отдельных лазерных источников для опорного и зондирующего излучения.

На чертеже представлена схема измерительного модуля лазерного оптического гетеродин-интерферометра ЛОГИН, поясняющая заявляемое изобретение, где:

1-4 источники зондирующего лазерного излучения; 5-8 оптические делители 25/25/25/25 № 1-4; 9 - блок оптических циркуляторов; 10 - объект исследования; 11-14 - оптические сумматоры 25/25/25/25 № 1-4; 15-18 - оптические усилители; 19 - оптический затвор №; 20 - волоконная бухта 10 км; 21 - волоконная бухта 20 км; 22 - волоконная бухта 30 км; 23 - оптический затвор №2; 24 - высокоскоростной волоконный переключатель №1; 25 - высокоскоростной волоконный переключатель №2; 26 - высокоскоростной волоконный переключатель №3, 27 - оптический мультиплексор (оптический DWDM фильтр); 28-31 - источник опорного лазерного излучения, 32-35 - оптические сумматоры 90/10 №1-4; 36-39 - фото детекторы, 40 - осциллограф.

Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить измерительный модуль лазерного оптического гетеродин-интерферометра ЛОГИН, построенный по схеме чертежа, ЛОГИН включает четыре волоконных лазера - для формирования зондирующего излучения и четыре волоконных лазера - для формирования опорных сигналов: шестнадцать оптических датчиков - для зондирования объекта исследования; четыре оптических делителя № 1-4 - для деления зондирующего излучения от каждого источника на 4 равные части; 16 оптических циркуляторов - для отвода зондирующего и отраженного излучения друг от друга: четыре усилителя отраженного излучения №1-4 - для усиления отраженного от объекта исследований излучения; два оптических затвора для «отрезания» помехового излучения; три волоконных линий задержки различной длины в виде волоконных бухты (длиной 10, 20 и 30 км) - для задержки оптического сигнала; триоптических переключателя (высокоскоростные волоконные переключатели № 1-3) - для переключения между измерительными канатами: оптический мультиплексор (фильтр DWDM) - для разделения оптического сигнала в зависимости от длины волны: оптические сумматоры 90/10 - для смешивания опорного и отраженного излучения; фотодетекторы - для преобразования оптического сигнала в электрический; осциллограф - для регистрации результирующего сигнала.

Измерительный модуль ЛОГИН с многократным временным уплотнением сигналов выполнен на следующей элементной базе:

- Источники лазерного излучения - волоконные, с выходной мощностью 2 Вт и отстраиваемой длинной волны

- Оптический циркулятор - волоконный, на длину волны λ=1550 нм

- Оптический DWDM фильтр - волоконный, на центральную длину волны λ=1550 нм

- Оптический сумматор 90/10 - волоконный, на длину волны λ=1550 нм

- Оптический сумматор 25/25/25/25 - волоконный, на длину волны X,-1550 нм

- Оптический усилитель - на длину волны λ=1550 нм. коэффициент усиления 10 дБ, минимальная входная мощность -40 дБм

- Оптические бухты (длиной 10, 20 и 30 км) - волоконные, на длину волны λ=1550 нм

- Фотодетектор - на длину волны λ=1550 нм, с шириной полосы пропускания 20 ГГц

- Осциллограф -с шириной полосы пропускания 20 ГГц и частотой дискретизации 50 ГГц

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Лазерное излучение от каждого волоконного источника зондирующего излучения 1-4 с помощью оптических делителей 5-8 делится на 4 равные части и через блок циркуляторов 9 попадает на исследуемую поверхность 10. Далее отраженное излучение собирается с помощью оптических сумматоров 11-14 и пропускается через оптические усилители 15-18. Затем оптический сигнал попадает в систему затворов 19, 23, переключателей 24, 25 и волоконных катушек 20, 21, 22. Далее сигнал в DWDM 27 разделяется, в зависимости от длины волны. Система затворов, переключателей и линий задержки различной длины вкупе с DWDM-фильтрами отвечает за формирование мультиплексированного сигнала с разделением каналов, в результате обеспечивается многократное временное уплотнение сигналов. Опорное лазерное изучение формируется с помощью источников опорного излучения 28-31. Усиленный отраженный сигнал суммируется с опорным в пропорции 90% (отраженное излучение) к 10% (опорное излучение) с помощью сумматоров 32-35. Результирующий сигнал поступает на фото детекторы 36039, откуда передается на канал регистрации осциллографа 40. Использование заявляемого устройства обеспечивает полное отсутствие наложения данных на опорные линии и друг на друга, значительное повышение качества и точности получаемых данных за счет полного отсутствия частотного уплотнения и повышения мощности опорного излучения.

Использование: для непрерывной регистрации скорости движущегося объекта. Сущность изобретения заключается в том, что устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения включает измерительный модуль с источниками лазерного излучения, образующими пары источников опорного и зондирующего сигналов для формирования не менее шестнадцати измерительных каналов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте и в состав которых также входят оптические датчики приема-передачи излучения, преобразователи оптического сигнала в электрический, усилители, волоконные линии задержки, высокоскоростные волоконные переключатели, циркуляторы, сумматоры, мультиплексоры, делители и регистрирующая аппаратура, при этом в качестве источников зондирующего и опорного излучения используют отдельные источники лазерного излучения, при этом источники зондирующего излечения соединены через делители с блоком циркуляторов и далее через сумматоры - с четырьмя усилителями, выход одного из которых через оптический затвор соединен с входом высокоскоростного волоконного переключателя, с ним же через волоконную линию задержки соединен выход другого усилителя, выход третьего усилителя соединен через волоконную линию задержки большей длины и другой оптический затвор с входом другого высокоскоростного волоконного переключателя, с которым также соединен через волоконную линию задержки еще большей длины выход четвертого усилителя, причем выходы высокоскоростных волоконных переключателей соединены с входами дополнительного высокоскоростного волоконного переключателя, который соединен с оптическим мультиплексором, с которым также соединены через другие сумматоры источники опорного излучения. Технический результат: повышение качества и точности получаемых данных при регистрации скорости движущегося объекта. 1 ил.

Устройство доплеровского измерителя скорости на основе интерферометра с волоконным вводом излучения, включающее измерительный модуль с источниками лазерного излучения, образующими пары источников опорного и зондирующего сигналов для формирования не менее шестнадцати измерительных каналов, в которых источники между собой и в паре отличаются друг от друга по частоте и в состав которых также входят оптические датчики приема-передачи излучения, преобразователи оптического сигнала в электрический, усилители, волоконные линии задержки, высокоскоростные волоконные переключатели, циркуляторы, сумматоры, мультиплексоры, делители и регистрирующая аппаратура, отличающееся тем, что в качестве источников зондирующего и опорного излучения используют отдельные источники лазерного излучения, при этом источники зондирующего излечения соединены через делители с блоком циркуляторов и далее через сумматоры - с четырьмя усилителями, выход одного из которых через оптический затвор соединен с входом высокоскоростного волоконного переключателя, с ним же через волоконную линию задержки соединен выход другого усилителя, выход третьего усилителя соединен через волоконную линию задержки большей длины и другой оптический затвор с входом другого высокоскоростного волоконного переключателя, с которым также соединен через волоконную линию задержки еще большей длины выход четвертого усилителя, причем выходы высокоскоростных волоконных переключателей соединены с входами дополнительного высокоскоростного волоконного переключателя, который соединен с оптическим мультиплексором, с которым также соединены через другие сумматоры источники опорного излучения.